V polovici 20. storočia sa vo fyzike objavil pojem „časticová zoo“, čo znamená rôzne elementárne zložky hmoty, s ktorými sa vedci stretli po vytvorení dostatočne výkonných urýchľovačov. Jedným z najpočetnejších obyvateľov „zoo“boli predmety nazývané mezóny. Táto rodina častíc patrí spolu s baryónmi do veľkej skupiny hadrónov. Ich štúdium umožnilo preniknúť na hlbšiu úroveň štruktúry hmoty a prispelo k zoradeniu poznatkov o nej do modernej teórie základných častíc a interakcií - Štandardného modelu.
História objavov
Začiatkom 30-tych rokov, po objasnení zloženia atómového jadra, vyvstala otázka o povahe síl, ktoré zabezpečili jeho existenciu. Bolo jasné, že interakcia, ktorá viaže nukleóny, musí byť mimoriadne intenzívna a musí prebiehať prostredníctvom výmeny určitých častíc. Výpočty, ktoré v roku 1934 vykonal japonský teoretik H. Yukawa, ukázali, že tieto objekty sú 200–300-krát väčšie ako hmotnosť elektrónu arespektíve niekoľkonásobne nižšia ako protón. Neskôr dostali názov mezóny, čo v gréčtine znamená „stredný“. Ich prvá priama detekcia sa však ukázala ako „zlyhanie“kvôli blízkosti hmôt veľmi odlišných častíc.
V roku 1936 boli v kozmickom žiarení objavené objekty (nazývali sa mu-mezóny) s hmotnosťou zodpovedajúcou Yukawovým výpočtom. Zdalo sa, že hľadané kvantum jadrových síl sa našlo. Potom sa však ukázalo, že mu-mezóny sú častice, ktoré nesúvisia s výmennými interakciami medzi nukleónmi. Patria spolu s elektrónom a neutrínom do ďalšej triedy objektov v mikrokozme – leptónov. Častice boli premenované na mióny a hľadanie pokračovalo.
Yukawa kvantá boli objavené až v roku 1947 a nazývali sa „pi-mezóny“alebo piony. Ukázalo sa, že elektricky nabitý alebo neutrálny pí-mezón je skutočne častica, ktorej výmena umožňuje koexistenciu nukleónov v jadre.
Štruktúra mezónu
To bolo jasné takmer okamžite: pivonky neprišli do „časticovej zoo“samé, ale s mnohými príbuznými. Avšak vďaka množstvu a rôznorodosti týchto častíc bolo možné zistiť, že ide o kombinácie malého počtu základných objektov. Kvarky sa ukázali ako také štrukturálne prvky.
Mezón je viazaný stav kvarku a antikvarku (spojenie sa uskutočňuje pomocou kvánt silnej interakcie - gluónov). „Silný“náboj kvarku je kvantové číslo, bežne nazývané „farba“. Avšak všetky hadrónya mezóny medzi nimi sú bezfarebné. Čo to znamená? Mezón môže byť tvorený kvarkom a antikvarkom rôznych typov (alebo, ako sa hovorí, príchutí, „príchutí“), ale vždy kombinuje farbu a antifarbu. Napríklad π+-mezón je tvorený párom u-kvark - anti-d-kvark (ud̄), pričom kombinácia ich farebných nábojov môže byť modrá - anti- modrá“, „červená – protičervená“alebo zeleno-antizelená. Výmena gluónov mení farbu kvarkov, zatiaľ čo mezón zostáva bezfarebný.
Kvarky starších generácií, ako sú s, c a b, dodávajú mezónom, ktoré tvoria, zodpovedajúce príchute – zvláštnosť, šarm a šarm, vyjadrené ich vlastnými kvantovými číslami. Celočíselný elektrický náboj mezónu je tvorený zlomkovými nábojmi častíc a antičastíc, ktoré ho tvoria. Okrem tohto páru, nazývaného valenčné kvarky, mezón obsahuje mnoho ("morských") virtuálnych párov a gluónov.
Mezóny a základné sily
Mezóny, alebo skôr kvarky, ktoré ich tvoria, sa zúčastňujú všetkých typov interakcií opísaných štandardným modelom. Intenzita interakcie priamo súvisí so symetriou reakcií, ktoré spôsobuje, teda so zachovaním určitých veličín.
Slabé procesy sú najmenej intenzívne, šetria energiu, elektrický náboj, hybnosť, moment hybnosti (spin) – inými slovami, pôsobia iba univerzálne symetrie. Pri elektromagnetickej interakcii sú zachované aj paritné a chuťové kvantové čísla mezónov. Toto sú procesy, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v reakciáchrozpad.
Silná interakcia je najsymetrickejšia, zachováva ostatné veličiny, najmä izospin. Je zodpovedný za zadržiavanie nukleónov v jadre prostredníctvom iónovej výmeny. Vyžarovaním a pohlcovaním nabitých pí-mezónov dochádza k vzájomným premenám protónu a neutrónu a pri výmene neutrálnej častice zostáva každý z nukleónov sám sebou. Ako to možno znázorniť na úrovni kvarkov, je znázornené na obrázku nižšie.
Silná interakcia tiež riadi rozptyl mezónov nukleónmi, ich produkciu pri hadrónových zrážkach a iných procesoch.
Čo je kvarkonium
Kombinácia kvarku a antikvarku rovnakej príchute sa nazýva quarkonia. Tento termín sa zvyčajne používa pre mezóny, ktoré obsahujú masívne c- a b-kvarky. Extrémne ťažký t-kvark nestihne vôbec vstúpiť do viazaného stavu, okamžite sa rozpadne na ľahšie. Kombinácia cc̄ sa nazýva šarmónium alebo častica so skrytým šarmom (J/ψ-mezón); kombinácia bb̄ je bottomónium, ktoré má skryté čaro (Υ-mezón). Obidva sa vyznačujú prítomnosťou mnohých rezonančných - excitovaných - stavov.
Častice tvorené ľahkými zložkami – uū, dd̄ alebo ss̄ – sú superpozíciou (superpozíciou) aróm, keďže hmotnosti týchto kvarkov sú si blízke hodnoty. Neutrálny π0-mezón je teda superpozíciou stavov uū a dd̄, ktoré majú rovnakú množinu kvantových čísel.
Mesonová nestabilita
Výsledkom kombinácie častice a antičastice ježe život akéhokoľvek mezónu končí ich zničením. Životnosť závisí od toho, ktorá interakcia riadi rozpad.
- Mezóny, ktoré sa rozpadajú kanálom "silnej" anihilácie, povedzme, na gluóny s následným zrodením nových mezónov, nežijú veľmi dlho - 10-20 - 10 - 21 str. Príkladom takýchto častíc je quarkonia.
- Elektromagnetická anihilácia je tiež dosť intenzívna: životnosť π0-mezónu, ktorého pár kvark-antikvark anihiluje na dva fotóny s pravdepodobnosťou takmer 99 %, je približne 8 ∙ 10 -17 s.
- Slabá anihilácia (rozpad na leptóny) prebieha s oveľa menšou intenzitou. Nabitý pión (π+ – ud̄ – alebo π- – dū) teda žije pomerne dlho – v priemere 2,6 ∙ 10-8 s a zvyčajne sa rozpadá na mión a neutríno (alebo zodpovedajúce antičastice).
Väčšina mezónov sú takzvané hadrónové rezonancie, krátkodobé (10-22 – 10-24 c) javy, ktoré sa vyskytujú v určitých vysokoenergetických rozsahoch, podobne ako excitované stavy atómu. Nie sú registrované na detektoroch, ale sú vypočítané na základe energetickej bilancie reakcie.
Spin, orbitálna hybnosť a parita
Mezóny sú na rozdiel od baryónov elementárne častice s celočíselnou hodnotou spinového čísla (0 alebo 1), čiže sú to bozóny. Kvarky sú fermióny a majú polovičný spin ½. Ak sú momenty hybnosti kvarku a antikvarku paralelné, potom ichsúčet - mezónový spin - sa rovná 1, ak je antiparalelný, bude sa rovnať nule.
Vzhľadom na vzájomnú cirkuláciu dvojice komponentov má mezón aj orbitálne kvantové číslo, ktoré prispieva k jeho hmotnosti. Orbitálna hybnosť a spin určujú celkový moment hybnosti častice, spojený s konceptom priestorovej alebo P-parity (určitá symetria vlnovej funkcie vzhľadom na zrkadlovú inverziu). V súlade s kombináciou spinu S a vnútornej (vzťahujúcej sa na vlastný referenčný rámec častice) P-parity sa rozlišujú tieto typy mezónov:
- pseudoskalárny - najľahší (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Posledné tri typy sú veľmi masívne mezóny, čo sú stavy s vysokou energiou.
Izotopické a unitárne symetrie
Na klasifikáciu mezónov je vhodné použiť špeciálne kvantové číslo - izotopový spin. V silných procesoch sa častice s rovnakou hodnotou izospinu zúčastňujú symetricky, bez ohľadu na ich elektrický náboj, a môžu byť reprezentované ako rôzne stavy náboja (izospinové projekcie) jedného objektu. Súbor takýchto častíc, ktorých hmotnosť je veľmi blízky, sa nazýva izomultiplet. Napríklad izotriplet pion zahŕňa tri stavy: π+, π0 a π--mezón.
Hodnota izospinu sa vypočíta podľa vzorca I=(N–1)/2, kde N je počet častíc v multiplete. Teda izospin piónu sa rovná 1 a jeho projekcie Iz v špeciálnom nábojimedzery sú +1, 0 a -1. Štyri podivné mezóny - kaóny - tvoria dva izodublety: K+ a K0 s izospinom +½ a podivnosťou +1 a dubletom antičastíc K- a K̄0, pre ktoré sú tieto hodnoty záporné.
Elektrický náboj hadrónov (vrátane mezónov) Q súvisí s izospinovou projekciou Iz a takzvaným hypernábojom Y (súčet baryónového čísla a všetkých príchutí čísla). Tento vzťah vyjadruje Nishijima–Gell-Mann vzorec: Q=Iz + Y/2. Je jasné, že všetci členovia jedného multipletu majú rovnaký hypernáboj. Baryónový počet mezónov je nula.
Mezóny sú potom zoskupené s dodatočným spinom a paritou do supermultipletov. Osem pseudoskalárnych mezónov tvorí oktet, vektorové častice tvoria nonet (deväť) atď. Toto je prejav symetrie vyššej úrovne nazývanej unitárny.
Mezóny a hľadanie novej fyziky
V súčasnosti fyzici aktívne hľadajú javy, ktorých popis by viedol k rozšíreniu Štandardného modelu a k jeho prekročeniu s konštrukciou hlbšej a všeobecnejšej teórie mikrosveta – Novej fyziky. Predpokladá sa, že štandardný model doň vstúpi ako limitujúci, nízkoenergetický prípad. Pri tomto hľadaní hrá dôležitú úlohu štúdium mezónov.
Mimoriadne zaujímavé sú exotické mezóny - častice so štruktúrou, ktorá nezapadá do rámca bežného modelu. Takže pri Veľkom hadróneCollider v roku 2014 potvrdil tetrakvark Z(4430), viazaný stav dvoch párov kvark-antikvark ud̄cc̄, medziprodukt rozpadu krásneho mezónu B. Tieto rozpady sú zaujímavé aj z hľadiska možného objavu hypotetickej novej triedy častíc - leptokvarkov.
Modely predpovedajú aj iné exotické stavy, ktoré by mali byť klasifikované ako mezóny, keďže sa zúčastňujú silných procesov, ale majú nulové baryónové číslo, ako sú glejové guľôčky, tvorené iba gluónmi bez kvarkov. Všetky takéto objekty môžu výrazne doplniť naše znalosti o podstate základných interakcií a prispieť k ďalšiemu rozvoju fyziky mikrosveta.
