Vào giữa thế kỷ 20, khái niệm "vườn thú hạt" xuất hiện trong vật lý, có nghĩa là một loạt các thành phần cơ bản của vật chất, mà các nhà khoa học gặp phải sau khi các máy gia tốc đủ mạnh được tạo ra. Một trong những cư dân đông nhất của "vườn thú" là những vật thể được gọi là meson. Họ hạt này, cùng với baryon, được bao gồm trong nhóm lớn các hạt hadron. Nghiên cứu của họ giúp họ có thể thâm nhập sâu hơn vào cấu trúc của vật chất và góp phần sắp xếp kiến thức về nó vào lý thuyết hiện đại về các hạt cơ bản và tương tác - Mô hình Chuẩn.
Lịch sử khám phá
Vào đầu những năm 1930, sau khi thành phần của hạt nhân nguyên tử được làm rõ, câu hỏi đặt ra về bản chất của các lực đảm bảo sự tồn tại của nó. Rõ ràng là tương tác liên kết các nucleon phải cực kỳ mạnh và được thực hiện thông qua sự trao đổi của một số hạt nhất định. Các tính toán được thực hiện vào năm 1934 bởi nhà lý thuyết người Nhật Bản H. Yukawa cho thấy rằng những vật thể này lớn hơn khối lượng của electron từ 200–300 lần và,tương ứng hơn kém nhau vài lần so với proton. Sau đó họ nhận được tên gọi của các meson, trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "giữa". Tuy nhiên, lần phát hiện trực tiếp đầu tiên của họ hóa ra là "bắn nhầm" do khối lượng của các hạt rất khác nhau ở gần nhau.
Năm 1936, các vật thể (chúng được gọi là mu-meson) có khối lượng tương ứng với tính toán của Yukawa được phát hiện trong tia vũ trụ. Dường như lượng tử tìm kiếm của lực hạt nhân đã được tìm thấy. Nhưng sau đó hóa ra rằng các meson mu là những hạt không liên quan đến tương tác trao đổi giữa các nucleon. Chúng, cùng với electron và neutrino, thuộc về một lớp vật thể khác trong mô hình thu nhỏ - lepton. Các hạt đã được đổi tên thành muon và tiếp tục tìm kiếm.
Các lượng tử
Yukawa chỉ được phát hiện vào năm 1947 và được gọi là "pi-meson", hay pions. Hóa ra là một meson pi-meson trung hòa hoặc tích điện thực sự là hạt mà sự trao đổi của nó cho phép các nucleon cùng tồn tại trong hạt nhân.
Cấu trúc Meson
Điều đó trở nên rõ ràng gần như ngay lập tức: các mẫu đơn đến “vườn bách thú” không phải một mình mà có rất nhiều người thân. Tuy nhiên, do số lượng và sự đa dạng của các hạt này mà người ta có thể xác định rằng chúng là sự kết hợp của một số lượng nhỏ các vật thể cơ bản. Các hạt quark hóa ra là các thành phần cấu trúc như vậy.
Meson là trạng thái liên kết của một quark và một phản quark (kết nối được thực hiện bằng lượng tử của tương tác mạnh - gluon). Điện tích "mạnh" của một quark là một số lượng tử, được quy ước là "màu". Tuy nhiên, tất cả các hadronvà các meson trong số đó, không màu. Nó có nghĩa là gì? Một meson có thể được hình thành bởi một quark và một phản quark thuộc các loại khác nhau (hoặc, như người ta nói, hương vị, “hương vị”), nhưng nó luôn kết hợp màu sắc và chất chống màu. Ví dụ: π+-meson được tạo thành bởi một cặp u-quark - phản d-quark (ud̄), và sự kết hợp của các điện tích màu của chúng có thể là "xanh lam - phản xanh lam "," đỏ - chống đỏ "hoặc xanh lá cây chống xanh lá cây. Sự trao đổi các gluon làm thay đổi màu của các quark, trong khi meson vẫn không màu.
Các hạt của các thế hệ cũ hơn, chẳng hạn như s, c và b, mang lại hương vị tương ứng cho các meson mà chúng tạo thành - sự kỳ lạ, quyến rũ và hấp dẫn, được thể hiện bằng các số lượng tử của riêng chúng. Điện tích nguyên của meson được tạo thành từ các điện tích phân đoạn của các hạt và phản hạt hình thành nên nó. Ngoài cặp này, được gọi là quark hóa trị, meson bao gồm nhiều ("biển") cặp ảo và gluon.
Meson và các lực lượng cơ bản
Meson, hay đúng hơn là các hạt quark tạo nên chúng, tham gia vào tất cả các loại tương tác được Mô hình Chuẩn mô tả. Cường độ của tương tác liên quan trực tiếp đến tính đối xứng của các phản ứng gây ra bởi nó, nghĩa là, với sự bảo toàn của một số đại lượng.
Các quá trình yếu là ít cường độ nhất, chúng bảo toàn năng lượng, điện tích, động lượng, mômen động lượng (spin) - nói cách khác, chỉ có các phép đối xứng phổ biến. Trong tương tác điện từ, số lượng tử chẵn lẻ và hương vị của các meson cũng được bảo toàn. Đây là những quá trình đóng vai trò quan trọng trong các phản ứngphân rã.
Tương tác mạnh là đối xứng nhất, bảo toàn các đại lượng khác, cụ thể là isospin. Nó chịu trách nhiệm cho việc lưu giữ các nucleon trong nhân thông qua trao đổi ion. Bằng cách phát ra và hấp thụ các meson pi mang điện tích, proton và neutron trải qua sự biến đổi lẫn nhau, và trong quá trình trao đổi hạt trung hòa, mỗi nucleon vẫn là chính nó. Cách biểu diễn điều này ở cấp độ hạt quark được thể hiện trong hình bên dưới.
Tương tác mạnh cũng chi phối sự phân tán của các meson bởi các nucleon, sự sản sinh của chúng trong va chạm hadron và các quá trình khác.
quarkonium là gì
Sự kết hợp của quark và phản quark có cùng hương vị được gọi là quarkonia. Thuật ngữ này thường được áp dụng cho các meson chứa các quark c- và b lớn. Một t-quark cực nặng không có thời gian để đi vào trạng thái bị ràng buộc, ngay lập tức phân rã thành những hạt nhẹ hơn. Sự kết hợp cc̄ được gọi là charmonium, hoặc một hạt có sự quyến rũ tiềm ẩn (J / ψ-meson); sự kết hợp bb̄ là bottomonium, có một nét duyên ngầm (Υ-meson). Cả hai đều được đặc trưng bởi sự hiện diện của nhiều trạng thái cộng hưởng - phấn khích -.
Các hạt được hình thành bởi các thành phần nhẹ - uū, dd̄ hoặc ss̄ - là sự chồng chất (chồng chất) của các mùi vị, vì khối lượng của các hạt quark này có giá trị gần nhau. Do đó, trung hòa π0-meson là sự chồng chất của các trạng thái uū và dd̄, có cùng một bộ số lượng tử.
Meson không ổn định
Sự kết hợp của hạt và phản hạt dẫn đếnrằng cuộc sống của bất kỳ meson nào cũng kết thúc bằng sự tiêu diệt của chúng. Thời gian tồn tại phụ thuộc vào việc tương tác nào kiểm soát sự phân rã.
- Meson phân hủy thông qua kênh hủy diệt "mạnh", chẳng hạn, thành gluon với sự ra đời sau đó của các meson mới, không sống được lâu - 10-20- 10- 21p. Một ví dụ về các hạt như vậy là quarkonia.
- Sự triệt tiêu điện từ cũng khá mạnh: thời gian tồn tại của π0-meson, mà cặp quark-phản quark hủy thành hai photon với xác suất gần 99%, là khoảng 8 ∙ 10 -17s.
- Sự hủy diệt yếu (phân rã thành lepton) diễn ra với cường độ thấp hơn nhiều. Do đó, một pion tích điện (π+- ud̄ - hoặc π-- dū) sống khá lâu - trung bình là 2,6 ∙ 10-8s và thường phân rã thành muon và neutrino (hoặc các phản hạt tương ứng).
Hầu hết các meson là cái gọi là cộng hưởng hadron, tồn tại trong thời gian ngắn (10-22- 10-24c) hiện tượng xảy ra trong các dải năng lượng cao nhất định, tương tự như các trạng thái kích thích của nguyên tử. Chúng không được đăng ký trên máy dò, nhưng được tính toán dựa trên sự cân bằng năng lượng của phản ứng.
Độ quay, động lượng quỹ đạo và tính chẵn lẻ
Không giống như baryon, meson là các hạt cơ bản có giá trị nguyên là số spin (0 hoặc 1), tức là chúng là boson. Các hạt quark là các fermion và có spin bán nguyên ½. Nếu mômen động lượng của một quark và một phản quark là song song thìtổng - spin meson - bằng 1, nếu phản song song, nó sẽ bằng 0.
Do sự tuần hoàn lẫn nhau của một cặp thành phần, meson cũng có số lượng tử quỹ đạo, đóng góp vào khối lượng của nó. Động lượng quỹ đạo và spin xác định tổng mômen động lượng của hạt, gắn liền với khái niệm không gian, hay tính chẵn lẻ P (một đối xứng nhất định của hàm sóng đối với sự đảo ngược gương). Theo sự kết hợp giữa spin S và nội tại (liên quan đến hệ quy chiếu riêng của hạt) P-parity, các loại meson sau được phân biệt:
- pseudoscalar - nhẹ nhất (S=0, P=-1);
- vector (S=1, P=-1);
- vô hướng (S=0, P=1);
- vectơ giả (S=1, P=1).
Ba loại cuối cùng là các meson rất lớn, là trạng thái năng lượng cao.
Đối xứng đồng vị và đơn nhất
Để phân loại các meson, rất tiện lợi khi sử dụng một số lượng tử đặc biệt - spin đồng vị. Trong các quá trình mạnh, các hạt có cùng giá trị isospin tham gia đối xứng, không phụ thuộc vào điện tích của chúng và có thể được biểu diễn dưới dạng các trạng thái điện tích khác nhau (hình chiếu isospin) của một vật thể. Một tập hợp các hạt như vậy, có khối lượng rất gần nhau, được gọi là đa hạt. Ví dụ: đồng vị pion bao gồm ba trạng thái: π+, π0và π--meson.
Giá trị của isospin được tính theo công thức I=(N – 1) / 2, trong đó N là số hạt trong bội số. Do đó, isospin của một pion bằng 1 và các phép chiếu của nó Iztrong một điện tích đặc biệtkhoảng trắng lần lượt là +1, 0 và -1. Bốn meson kỳ lạ - kaon - tạo thành hai đồng phân đôi: K+và K0với isospin + ½ và độ lạ +1 và nhân đôi của phản hạt K -và K̄0, mà các giá trị này là âm.
Điện tích của các hạt hadron (bao gồm cả các meson) Q liên quan đến phép chiếu isospin Izvà cái gọi là siêu phóng điện Y (tổng của số baryon và tất cả các hương số). Mối quan hệ này được thể hiện bằng công thức Nishijima-Gell-Mann: Q=Iz+ Y / 2. Rõ ràng là tất cả các thành viên của một bội số đều có cùng mức tăng điện. Số meson baryon bằng 0.
Sau đó, các meson được nhóm với spin và độ chẵn lẻ bổ sung thành các siêu đa bội. Tám meson giả phương tạo thành một octet, các hạt vectơ tạo thành một nonet (chín), v.v. Đây là biểu hiện của đối xứng cấp cao hơn được gọi là đơn nhất.
Mesons và tìm kiếm Vật lý mới
Hiện tại, các nhà vật lý đang tích cực tìm kiếm các hiện tượng, mô tả về hiện tượng đó sẽ dẫn đến việc mở rộng Mô hình Chuẩn và vượt xa nó với việc xây dựng một lý thuyết sâu hơn và tổng quát hơn về thế giới vi mô - Vật lý mới. Giả định rằng Mô hình Chuẩn sẽ nhập nó như một trường hợp giới hạn, năng lượng thấp. Trong tìm kiếm này, việc nghiên cứu các meson đóng một vai trò quan trọng.
Đặc biệt quan tâm là các hạt meson kỳ lạ - các hạt có cấu trúc không phù hợp với khuôn khổ của mô hình thông thường. Vì vậy, tại Hadron LớnCollider vào năm 2014 đã xác nhận tetraquark Z (4430), trạng thái liên kết của hai cặp ud̄cc̄ quark-antiquark, một sản phẩm phân rã trung gian của meson B đẹp. Những sự phân rã này cũng thú vị về khả năng phát hiện ra một lớp hạt mới giả định - leptoquark.
Các mô hình cũng dự đoán các trạng thái kỳ lạ khác nên được phân loại là meson, vì chúng tham gia vào các quá trình mạnh, nhưng có số baryon bằng không, chẳng hạn như keo bóng, chỉ được hình thành bởi gluon mà không có quark. Tất cả những vật thể như vậy có thể bổ sung đáng kể kiến thức của chúng ta về bản chất của các tương tác cơ bản và góp phần vào sự phát triển hơn nữa của vật lý học của thế giới vi ba.
