در اواسط قرن بیستم، مفهوم "باغ وحش ذرات" در فیزیک ظاهر شد، به معنای انواع اجزای اولیه ماده، که دانشمندان پس از ایجاد شتاب دهنده های به اندازه کافی قدرتمند با آنها مواجه شدند. یکی از پرشمارترین ساکنان "باغ وحش" اشیایی به نام مزون بودند. این خانواده از ذرات به همراه باریون ها در گروه بزرگ هادرون ها قرار می گیرند. مطالعه آنها نفوذ به سطح عمیق تری از ساختار ماده را ممکن ساخت و به ترتیب دانش در مورد آن در نظریه مدرن ذرات بنیادی و برهمکنش ها - مدل استاندارد کمک کرد.
تاریخچه کشف
در اوایل دهه 1930، پس از روشن شدن ترکیب هسته اتم، این سوال در مورد ماهیت نیروهایی که وجود آن را تضمین می کردند مطرح شد. واضح بود که تعاملی که نوکلئون ها را به هم متصل می کند باید بسیار شدید باشد و از طریق تبادل ذرات خاص انجام شود. محاسبات انجام شده در سال 1934 توسط نظریه پرداز ژاپنی H. Yukawa نشان داد که جرم این اجسام 200 تا 300 برابر بزرگتر از الکترون است وبه ترتیب چندین بار کمتر از پروتون است. بعداً آنها نام مزون ها را دریافت کردند که در یونانی به معنای "وسط" است. با این حال، اولین تشخیص مستقیم آنها به دلیل نزدیکی توده های ذرات بسیار متفاوت، یک "اشتعال نادرست" بود.
در سال 1936، اجسامی (که به آنها مو-مزون می گفتند) با جرمی مطابق با محاسبات یوکاوا در پرتوهای کیهانی کشف شدند. به نظر می رسید که کوانتوم مورد نظر نیروهای هسته ای پیدا شده است. اما بعد معلوم شد که مو-مزون ها ذراتی هستند که به فعل و انفعالات تبادلی بین نوکلئون ها مرتبط نیستند. آنها، همراه با الکترون و نوترینو، به دسته دیگری از اجسام در جهان خرد - لپتون ها تعلق دارند. ذرات به میون تغییر نام دادند و جستجو ادامه یافت.
کوانتاهای یوکاوا تنها در سال 1947 کشف شدند و "پی مزون" یا پیون نامیده شدند. معلوم شد که یک پی مزون باردار الکتریکی یا خنثی در واقع ذره‌ای است که تبادل آن به نوکلئون‌ها اجازه می‌دهد تا در هسته همزیستی کنند.
ساختار مزون
تقریباً بلافاصله مشخص شد: گل صد تومانی ها نه به تنهایی، بلکه با اقوام متعدد به "باغ وحش ذرات" آمدند. با این حال، به دلیل تعداد و تنوع این ذرات بود که می توان تشخیص داد که آنها ترکیبی از تعداد کمی از اجسام اساسی هستند. معلوم شد که کوارک ها چنین عناصر ساختاری هستند.
مزون حالت محدود یک کوارک و یک آنتی کوارک است (ارتباط با استفاده از کوانتومهای برهمکنش قوی - گلوئونها) انجام می شود. بار "قوی" کوارک یک عدد کوانتومی است که به طور معمول "رنگ" نامیده می شود. با این حال، همه هادرون هاو مزونها در میان آنها بی رنگ هستند. چه مفهومی داره؟ یک مزون می تواند توسط یک کوارک و یک آنتی کوارک از انواع مختلف (یا همانطور که می گویند طعم، "طعم") تشکیل شود، اما همیشه رنگ و ضد رنگ را ترکیب می کند. به عنوان مثال، π+-مزون توسط یک جفت کوارک - ضد d-کوارک (ud̄) تشکیل می شود، و ترکیب بارهای رنگی آنها می تواند "آبی - ضد" باشد. آبی، "قرمز - ضد قرمز" یا سبز-ضد سبز. تبادل گلوئون ها رنگ کوارک ها را تغییر می دهد، در حالی که مزون بی رنگ می ماند.
کوارک‌های نسل‌های قدیمی‌تر، مانند s، c و b، طعم‌های مربوطه را به مزون‌هایی که تشکیل می‌دهند می‌دهند - عجیب بودن، جذابیت و جذابیت، که با اعداد کوانتومی خودشان بیان می‌شوند. بار الکتریکی اعداد صحیح مزون از بارهای کسری ذرات و پاد ذرات تشکیل دهنده آن تشکیل شده است. علاوه بر این جفت که کوارک‌های ظرفیتی نامیده می‌شوند، مزون شامل بسیاری از جفت‌های مجازی ("دریا") و گلوئون است.
مزون ها و نیروهای بنیادی
مزونها، یا بهتر است بگوییم، کوارک‌هایی که آنها را تشکیل می‌دهند، در همه انواع برهم‌کنش‌هایی که توسط مدل استاندارد توضیح داده شده است، شرکت می‌کنند. شدت برهمکنش مستقیماً با تقارن واکنش های ناشی از آن، یعنی با بقای کمیت های معین مرتبط است.
فرایندهای ضعیف کمترین شدت را دارند، انرژی، بار الکتریکی، تکانه، تکانه زاویه ای (اسپین) را حفظ می کنند - به عبارت دیگر، فقط تقارن های جهانی عمل می کنند. در برهمکنش الکترومغناطیسی، تعداد کوانتومی برابری و طعم مزون ها نیز حفظ می شود. اینها فرآیندهایی هستند که نقش مهمی در واکنش ها دارندپوسیدگی.
برهم کنش قوی متقارن ترین است و مقادیر دیگر، به ویژه ایزوسپین را حفظ می کند. مسئول حفظ نوکلئون ها در هسته از طریق تبادل یونی است. با گسیل و جذب پی مزون های باردار، پروتون و نوترون دچار دگرگونی های متقابل می شوند و در طی مبادله یک ذره خنثی، هر یک از نوکلئون ها خود باقی می مانند. چگونه می توان این را در سطح کوارک ها نشان داد در شکل زیر نشان داده شده است.
برهم کنش قوی همچنین بر پراکندگی مزون ها توسط نوکلئون ها، تولید آنها در برخورد هادرون و سایر فرآیندها حاکم است.
کوارکونیوم چیست
ترکیب کوارک و آنتی کوارک هم مزه را کوارکونیا می نامند. این اصطلاح معمولاً به مزون هایی اطلاق می شود که حاوی کوارک های عظیم c و b هستند. یک تی کوارک بسیار سنگین اصلاً وقت ندارد که وارد حالت محدود شود و فوراً به حالت های سبک تر تبدیل می شود. به ترکیب cc charmonium یا ذره ای با جذابیت پنهان (J/ψ-مزون) می گویند. ترکیب bb̄ تهونیوم است که دارای جذابیت پنهان (Υ-مزون) است. هر دو با وجود بسیاری از حالت های طنین دار - هیجان زده مشخص می شوند.
ذرات تشکیل شده توسط اجزای سبک - uū، dd̄ یا ss̄ - برهم نهی (برهم نهی) طعم ها هستند، زیرا جرم این کوارک ها از نظر ارزش نزدیک به هم هستند. بنابراین، خنثی π0-مزون برهم نهی حالت‌های uū و dd̄ است که مجموعه‌ای از اعداد کوانتومی یکسانی دارند.
ناپایداری مزون
ترکیب ذره و پادذره منجر بهکه عمر هر مزون به نابودی آنها ختم می شود. طول عمر بستگی به این دارد که کدام فعل و انفعال فروپاشی را کنترل می کند.
- مزون هایی که از طریق کانال نابودی "قوی" تجزیه می شوند، مثلاً به گلوئون ها با تولد بعدی مزون های جدید، عمر زیادی ندارند - 10-20 - 10 - 21 صفحه. نمونه ای از این ذرات کوارکونی است.
- نابودی الکترومغناطیسی نیز بسیار شدید است: طول عمر مزون π0، که جفت کوارک-آنتی کوارک آن به دو فوتون با احتمال تقریباً 99 درصد نابود می شود، تقریباً 8 ∙ 10 -17 ثانیه.
- نابودی ضعیف (تجزیه به لپتون) با شدت بسیار کمتری انجام می شود. بنابراین، یک پیون شارژ شده (π+ - ud̄ - یا π- - dū) مدت زمان زیادی زندگی می کند - به طور متوسط 2.6 ∙ 10 -8 ثانیه و معمولاً به یک میون و یک نوترینو (یا پادذرات مربوطه) تجزیه می شود.
بیشتر مزون ها به اصطلاح رزونانس هادرون هستند، کوتاه مدت (10-22 - 10-24 ج) پدیده هایی که در محدوده خاصی از انرژی بالا، مشابه حالت های برانگیخته اتم رخ می دهد. آنها بر روی آشکارسازها ثبت نمی شوند، اما بر اساس تعادل انرژی واکنش محاسبه می شوند.
اسپین، تکانه مداری و برابری
بر خلاف باریون ها، مزون ها ذرات بنیادی با مقدار صحیح عدد اسپین (0 یا 1) هستند، یعنی بوزون هستند. کوارک ها فرمیون هستند و دارای اسپین نیمه صحیح ½ هستند. اگر لحظه های تکانه یک کوارک و یک آنتی کوارک موازی باشند، پس آنهامجموع - اسپین مزون - برابر با 1 است، اگر ضد موازی باشد، برابر با صفر خواهد بود.
به دلیل گردش متقابل یک جفت جزء، مزون یک عدد کوانتومی مداری نیز دارد که به جرم آن کمک می کند. تکانه و اسپین مداری کل تکانه زاویه ای ذره را تعیین می کند که با مفهوم فضایی یا P-parity (تقارن معین تابع موج با توجه به وارونگی آینه ای) مرتبط است. مطابق با ترکیب اسپین S و برابری P داخلی (مربوط به چارچوب مرجع خود ذره)، انواع مزون های زیر متمایز می شوند:
- شبه‌اسکلار - سبک‌ترین (S=0، P=-1);
- بردار (S=1، P=-1);
- مقیاس (S=0، P=1);
- شبه بردار (S=1، P=1).
سه نوع آخر مزون های بسیار پرجرم هستند که حالت های پر انرژی هستند.
تقارن ایزوتوپی و واحد
برای طبقه بندی مزون ها استفاده از عدد کوانتومی ویژه - اسپین ایزوتوپی راحت است. در فرآیندهای قوی، ذرات با مقدار ایزوسپین یکسان، بدون توجه به بار الکتریکی خود، به طور متقارن شرکت می کنند و می توانند به عنوان حالت های بار مختلف (برآمدگی های ایزوسپین) یک جسم نشان داده شوند. مجموعه ای از این ذرات که از نظر جرم بسیار نزدیک به هم هستند را ایزومولتی می گویند. برای مثال، ایزوتریپلت پایون شامل سه حالت است: π+، π0 و π--مزون.
مقدار isospin با فرمول I=(N–1)/2 محاسبه می شود، که در آن N تعداد ذرات در مضرب است. بنابراین، ایزوسپین یک پایون برابر با 1 است، و پیش بینی های آن Iz در یک شارژ ویژهفضا به ترتیب +1، 0 و -1 هستند. چهار مزون عجیب - کائون - دو همزاد تشکیل می دهند: K+ و K0 با ایزوسپین +½ و غریبی +1 و دوتایی پادذرات K- و K̄0، که این مقادیر برای آنها منفی است.
بار الکتریکی هادرون ها (از جمله مزون ها) Q به برجستگی ایزوسپین Iz و به اصطلاح ابرشارژ Y (مجموع عدد باریون و تمام طعم) مربوط می شود. شماره). این رابطه با فرمول Nishijima–Gell-Mann بیان می شود: Q=Iz + Y/2. واضح است که همه اعضای یک مولتی شارژ یکسان دارند. تعداد باریون مزون ها صفر است.
سپس، مزونها با اسپین و برابری اضافی در ابر چندگانه‌ها گروه‌بندی می‌شوند. هشت مزون شبه مقیاسی یک اکتت، ذرات بردار یک نونت (نه) و غیره را تشکیل می دهند. این تجلی یک تقارن سطح بالاتری به نام واحد است.
مزون ها و جستجوی فیزیک جدید
در حال حاضر، فیزیکدانان فعالانه به دنبال پدیده‌هایی هستند که توصیف آنها منجر به گسترش مدل استاندارد و فراتر رفتن از آن با ساختن یک نظریه عمیق‌تر و کلی‌تر از دنیای خرد - فیزیک جدید می‌شود. فرض بر این است که مدل استاندارد آن را به عنوان یک مورد محدود کننده و کم انرژی وارد می کند. در این جستجو، مطالعه مزون ها نقش مهمی ایفا می کند.
مزون های عجیب و غریب - ذراتی با ساختاری که در چارچوب مدل معمولی قرار نمی گیرند - مورد توجه خاص هستند. بنابراین، در هادرون بزرگکولایدر در سال 2014 تتراکوارک Z(4430) را تایید کرد، یک حالت محدود از دو جفت کوارک-آنتی کوارک ud̄cc̄، محصول واپاشی میانی مزون زیبای B. این واپاشی ها همچنین از نظر کشف احتمالی یک کلاس فرضی جدید از ذرات - لپتوکوارک ها جالب هستند.
مدل ها همچنین حالت های عجیب و غریب دیگری را پیش بینی می کنند که باید به عنوان مزون طبقه بندی شوند، زیرا آنها در فرآیندهای قوی شرکت می کنند، اما عدد باریون صفر دارند، مانند گلوله های چسبنده، که فقط توسط گلوئون های بدون کوارک تشکیل می شوند. همه این اجسام می توانند به طور قابل توجهی دانش ما را در مورد ماهیت فعل و انفعالات بنیادی پر کنند و به توسعه بیشتر فیزیک جهان خرد کمک کنند.
