Русская Википедия:Мезон
Шаблон:Значения Мезо́н (от Шаблон:Lang-grc ‘средний’) — адрон[1], имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (Шаблон:Math-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны. Шаблон:Таблица элементарных частиц Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия и отвечающие за удержание протонов и нейтронов в атомных ядрах.
Все мезоны нестабильны. Благодаря наличию энергии связи масса мезона во много раз больше суммы масс составляющих его кварков.
Предсказание и обнаружение
В 1934 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена ещё не открытыми тогда частицами, которые сейчас известны как пионы (или пи-мезоны). Впоследствии Х. Юкава был награждён в 1949 году Нобелевской премией по физике — за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам[2][3].
Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за подходящей массы) обнаруженный в 1936 году мюон, который назвали Шаблон:Math-мезоном. Сначала его и приняли за мезон Юкавы; однако в 1940-х годах было установлено, что мюон не подвержен сильному взаимодействию и относится, как и электрон, к классу лептонов (поэтому и название μ-мезон является неправильным, так что специалисты обычно его избегают). Первым настоящим мезоном оказался открытый в 1947 году пион, действительно являющийся переносчиком ядерных взаимодействий в соответствии с теорией Юкавы (данную роль он выполняет на расстояниях порядка комптоновской длины волны пиона, составляющей примерно 1,46·10−15 м, в то время как на меньших расстояниях существенный вклад в ядерные взаимодействия вносят более тяжёлые мезоны: Шаблон:Math-, Шаблон:Math-, Шаблон:Math-мезоны и др.)[2]Шаблон:Sfn.
До открытия тетракварков считалось, что все известные мезоны состоят из пары кварк-антикварк (т. н. валентных кварков) и из «моря» виртуальных кварк-антикварковых пар и виртуальных глюонов. При этом валентные кварки могут существовать не только в «чистом» виде, но и в виде суперпозиции состояний с разным ароматом; например, нейтральный пион не является ни парой <math>\mathrm{u \bar{u}}</math>, ни парой <math>\mathrm{d \bar{d}}</math> кварков, а представляет собой суперпозицию обоих: <math>({\mathrm{u \bar{u}}}-{\mathrm{d \bar{d}}})\,/\,\sqrt{2}</math>[4].
В зависимости от комбинации значений полного углового момента Шаблон:Math и чётности Шаблон:Math (обозначается Шаблон:Math) различают Шаблон:Нп5 (Шаблон:Math), векторные (Шаблон:Math), Шаблон:Нп5 (Шаблон:Math), Шаблон:Нп5 (Шаблон:Math) и другие мезоныШаблон:Sfn. Псевдоскалярные мезоны имеют минимальную энергию покоя, так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельные спины; после них следуют более тяжёлые векторные мезоны, в которых спины кварков параллельны. Эти же и другие типы мезонов встречаются в более высоких энергетических состояниях, в которых спин складывается с орбитальным угловым моментом (сегодняшняя картина внутриядерных сил довольно сложна, для детального ознакомления с ролью мезонов, см. Современное состояние теории сильных взаимодействий).
Начиная с 2003 года в физических журналах появлялись сообщения об открытии частиц, рассматриваемых как «кандидаты» в тетракварки. Природа одной из них — мезонного резонанса Z(4430), впервые обнаруженного коллаборацией Belle в 2007 году[5], была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb[6]. Установлено, что этот резонанс имеет кварковый состав <math>\mathrm{c}</math><math>\mathrm{\bar{c}}</math><math>\mathrm{d}</math><math>\mathrm{\bar{u}}</math> и относится к типу псевдовекторных мезонов[7].
Номенклатура мезонов[8]
Имя мезона образуется так, чтобы оно определяло его основные свойства. Соответственно, по заданным свойствам мезона можно однозначно определить его наименование. Способы именования разделяются на две категории, в зависимости от того, имеет мезон «аромат» или нет.
Мезоны без аромата
Мезоны без аромата — это такие мезоны, все квантовые числа ароматов которых равны нулю. Это означает, что эти мезоны являются состояниями кваркония (пар кварк-антикварк одинакового аромата) или линейными комбинациями таких состояний.
Имя мезона определяется его суммарным спином Шаблон:Math и суммарным орбитальным угловым моментом Шаблон:Math. Так как мезон составлен из двух кварков с Шаблон:Math = 1/2, суммарный спин может быть только Шаблон:Math = 1 (параллельные спины) или Шаблон:Math = 0 (антипараллельные спины). Орбитальное квантовое число Шаблон:Math появляется за счет вращения одного кварка вокруг другого. Обычно больший орбитальный момент проявляется в виде большей массы мезона. Эти два квантовых числа определяют чётность Шаблон:Math и (для нейтральных мезонов) зарядово-сопряжённую чётность Шаблон:Math мезона:
- Шаблон:Math = (−1)Шаблон:Math+1
- Шаблон:Math = (−1)Шаблон:Math
Также Шаблон:Math и Шаблон:Math складываются в полный угловой момент Шаблон:Math, который может принимать значения от |Шаблон:Math| до Шаблон:Math с шагом единица. Возможные комбинации описываются при помощи символа (терма) 2Шаблон:Math+1Шаблон:MathШаблон:Math (вместо числового значения Шаблон:Math используется буквенный код, см. спектроскопические символы) и символа Шаблон:Math (для обозначения используется только знак Шаблон:Math и Шаблон:Math).
Возможные комбинации и соответствующие обозначения мезонов даны в таблице:
| Шаблон:Math = | (0, 2…)− + | (1, 3…)+ − | (1,2…)− − | (0, 1…)+ + | |
|---|---|---|---|---|---|
| Кварковый состав | Шаблон:Math = * | 1(Шаблон:Math, Шаблон:Math, …)Шаблон:Math | 1(Шаблон:Math, Шаблон:Math, …)Шаблон:Math | 3(Шаблон:Math, Шаблон:Math, …)Шаблон:Math | 3(Шаблон:Math, Шаблон:Math, …)Шаблон:Math |
| <math>u \bar d\mbox{, }u \bar u - d\bar d\mbox{, }d\bar u</math> † | [[изоспин|Шаблон:Math]] = 1 | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math |
| <math>u \bar u + d \bar d \mbox{, }s \bar s</math> † | Шаблон:Math = 0 | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math |
| <math>c \bar c</math> | Шаблон:Math = 0 | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math • | Шаблон:Math |
| <math>b \bar b</math> | Шаблон:Math = 0 | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math ** | Шаблон:Math |
Примечания:
- * Некоторые комбинации запрещены: 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +…
- † Первый ряд образует изоспиновые триплеты: Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math и т. д.
- † Второй ряд содержит пары частиц: Шаблон:Math предполагается состоянием <math>s\bar s</math>, а Шаблон:Math — состоянием <math>u \bar u + d \bar d.</math> В других случаях точный состав неизвестен, так что используется штрих для различения двух форм.
- • По историческим причинам, 1³Шаблон:Math1 форма Шаблон:Math называется [[J/Psi|Шаблон:Math]].
- ** Символом состояния боттониум является заглавный ипсилон Шаблон:Math (в зависимости от браузера может отображаться как заглавная Y).
Нормальные спин-чётные последовательности формируются мезонами, у которых Шаблон:Math. В нормальной последовательности Шаблон:Math = 1, так что Шаблон:Math = +1 (то есть Шаблон:Math). Это соответствует некоторым триплетным состояниям (указаны в двух последних столбцах).
Поскольку некоторые из символов могут указывать на более чем одну частицу, есть дополнительные правила:
- В этой схеме частицы с Шаблон:Math = 0− известны как псевдоскаляры, а мезоны с Шаблон:Math = 1− называются векторами. Для остальных частиц число Шаблон:Math добавляется в виде нижнего индекса: Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math и т. д.
- Для большинства Шаблон:Math, Шаблон:Math и Шаблон:Math состояний обычно добавляют к обозначению спектроскопическую информацию: Шаблон:Math, Шаблон:Math. Первое число — это главное квантовое число, а буква является спектроскопическим обозначением Шаблон:Math. Мультиплетность опускается, так как она следует из буквы, к тому же Шаблон:Math при необходимости пишут в виде нижнего индекса: Шаблон:Math. Если спектроскопическая информация недоступна, то вместо неё используется масса: Шаблон:Math(9460)
- Схема обозначений не различает между «чистыми» кварковыми состояниями и состояниями глюония. Поэтому глюониевые состояния используют такую же схему обозначений.
- Для экзотических мезонов с «запрещённым» набором квантовых чисел Шаблон:Math = 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +, … используют те же обозначения, что и для мезонов с идентичными числами Шаблон:Math, за исключением добавки нижнего индекса Шаблон:Math. Мезоны с изоспином 0 и Шаблон:Math = 1− + обозначаются как Шаблон:Math1. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как Шаблон:Math с указанием массы в скобках.
Мезоны с ароматом
Для мезонов с ароматом схема названий немного проще.
1. Имя дает мезону тяжелейший из двух кварков. Порядок от тяжёлого к легкому следующий: Шаблон:Math. Однако у Шаблон:Math- и Шаблон:Math-кварков аромата нет, вследствие этого они не влияют на название. Кварк Шаблон:Math никогда не встречается в адронах, но символ для мезонов, содержащих Шаблон:Math, зарезервирован.
| кварк | символ | кварк | символ |
|---|---|---|---|
| Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math | Шаблон:Math |
| Шаблон:Math | <math>\bar K</math> | Шаблон:Math | <math>\bar B</math> |
- Следует отметить тот факт, что с Шаблон:Math- и Шаблон:Math-кварками используется символ античастицы. Это происходит из-за принятого соглашения о том, что заряд аромата и электрический заряд должны иметь одинаковый знак. Это же верно и для третей компоненты изоспина: кварк Шаблон:Math имеет положительную проекцию изоспина Шаблон:Math3 и заряд, а кварк Шаблон:Math имеет отрицательные Шаблон:Math3 и заряд. В результате любой аромат заряженного мезона имеет тот же знак, что и его электрический заряд.
2. Если второй кварк тоже имеет аромат (любой, кроме Шаблон:Math и Шаблон:Math), то его наличие обозначается в виде нижнего индекса (Шаблон:Math, Шаблон:Math или Шаблон:Math и, теоретически, Шаблон:Math).
3. Если мезон принадлежит нормальной спин-чётной последовательности, то есть Шаблон:Math = 0+, 1−, 2+, …, то добавляется верхний индекс «*».
4. Для мезонов, за исключением псевдоскаляров (0−) и векторов (1−), добавляется в виде нижнего индекса квантовое число полного углового момента Шаблон:Math.
Подводя итог, получим:
| Кварковый состав | Изоспин | JP = 0−, 1+, 2−… | JP = 0+, 1−, 2+… |
|---|---|---|---|
| <math>\bar su,\ \bar sd</math> | 1/2 | <math>K_J</math> † | <math>K^*_J</math> |
| <math>c \bar u,\ c\bar d</math> | 1/2 | <math>D_J</math> | <math>D^*_J</math> |
| <math>c \bar s</math> | 0 | <math>D_{sJ}</math> | <math>D^*_{sJ}</math> |
| <math>\bar bu,\ \bar bd</math> | 1/2 | <math>B_J</math> | <math>B^*_J</math> |
| <math>\bar bs</math> | 0 | <math>B_{sJ}</math> | <math>B^*_{sJ}</math> |
| <math>\bar bc</math> | 0 | <math>B_{cJ}</math> | <math>B^*_{cJ}</math> |
- † Шаблон:Math опущен для 0− and 1−.
Иногда частицы могут смешиваться. Например, нейтральный каон <math>K^0\,(\bar sd)</math> и его античастица <math>\bar K^0\,(s\bar d)</math> в слабых взаимодействиях, как показали в 1955 году М. Гелл-Манн и А. Пайс, ведут себя как симметричная или антисимметричная комбинации, каждой из которых соответствует своя частица: короткоживущий нейтральный каон <math>K^0_S = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0-\bar K^0)</math> с Шаблон:Math = +1, обычно распадающийся на два пиона (Шаблон:MathШаблон:Math или Шаблон:MathШаблон:Math), и долгоживущий нейтральный каон <math>K^0_L = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0 + \bar K^0)</math> с Шаблон:Math = -1, обычно распадающийся либо на три пиона, либо на пион, электрон (или мюон) и нейтрино[9].
Таблица некоторых мезонов
| Частица | Обозначение | Античастица | Состав | Масса, МэВ/[[скорость света|Шаблон:Math]]² | [[странность|Шаблон:Math]] | [[Очарование (квантовое число)|Шаблон:Math]] | [[Прелесть (квантовое число)|Шаблон:Math]] | время жизни, с |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Пион | Шаблон:Math | Шаблон:Math | <math>\mathrm{u \bar{d}}</math> | 139,6 | 0 | 0 | 0 | 2,60Шаблон:E |
| Шаблон:Math | <math>\mathrm{\frac{u\bar{u} - d \bar{d}}{\sqrt{2}}}</math> | 135,0 | 0 | 0 | 0 | 0,84Шаблон:E | ||
| Каон | Шаблон:Math | Шаблон:Math | <math>\mathrm{u\bar{s}}</math> | 493,7 | +1 | 0 | 0 | 1,24Шаблон:E |
| <math>\mathrm{K_S^0}</math> | <math>\mathrm{K_S^0}</math> | <math>\mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}}</math> | 497,7 | +1 | 0 | 0 | 0,89Шаблон:E | |
| <math>\mathrm{K_L^0}</math> | <math>\mathrm{K_L^0}</math> | <math>\mathrm{\frac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}}</math> | 497,7 | +1 | 0 | 0 | 5,2Шаблон:E | |
| Эта | Шаблон:Math | <math>\mathrm{\frac{u\bar{u} + d\bar{d} - 2s\bar{s}}{\sqrt{6}}}</math> | 547,8 | 0 | 0 | 0 | 0,5Шаблон:E | |
| Ро | Шаблон:Math | Шаблон:Math | <math>\mathrm{u\bar{d}}</math> | 776 | 0 | 0 | 0 | 0,4Шаблон:E |
| Фи | Шаблон:Math | <math>\mathrm{s\bar{s}}</math> | 1019 | 0 | 0 | 0 | 16Шаблон:E | |
| D | Шаблон:Math | Шаблон:Math | <math>\mathrm{c\bar{d}}</math> | 1869 | 0 | +1 | 0 | 10,6Шаблон:E |
| Шаблон:Math | <math>\mathrm{\bar{D}^0}</math> | <math>\mathrm{c\bar{u}}</math> | 1865 | 0 | +1 | 0 | 4,1Шаблон:E | |
| <math>\mathrm{D_S^+}</math> | <math>\mathrm{D_S^-}</math> | <math>\mathrm{c\bar{s}}</math> | 1968 | +1 | +1 | 0 | 4,9Шаблон:E | |
| [[J/ψ|Шаблон:Math]] | Шаблон:Math | <math>\mathrm{c\bar{c}}</math> | 3096,9 | 0 | 0 | 0 | 7,2Шаблон:E | |
| B | Шаблон:Math | Шаблон:Math | <math>\mathrm{b\bar{u}}</math> | 5279 | 0 | 0 | −1 | 1,7Шаблон:E |
| Шаблон:Math | <math>\mathrm{\bar{B}^0}</math> | <math>\mathrm{d\bar{b}}</math> | 5279 | 0 | 0 | −1 | 1,5Шаблон:E | |
| Ипсилон | Шаблон:Math | <math>\mathrm{b\bar{b}}</math> | 9460 | 0 | 0 | 0 | 1,3Шаблон:E | |
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
- Таблица мезонов и их свойств
- Информация о частицах от Группы по свойствам частиц http://pdg.lbl.gov
- hep-ph/0211411: Лёгкие скалярные мезоны согласно кварковой модели.
- Номенклатура адронов.
Шаблон:Библиоинформация Шаблон:^v Шаблон:Частицы
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Книга — С. 53—54, 60—63.
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Книга — P. 271.
- ↑ Шаблон:Книга — P. 142001-1—142001-10. — Шаблон:DOI.
- ↑ Шаблон:Книга — P. 222002-1—222002-9. — Шаблон:DOI.
- ↑ Иванов, Игорь. Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Книга — P. 3—4, 15.
