Pada pertengahan abad ke-20, konsep "kebun binatang partikel" muncul dalam fisika, yang berarti berbagai unsur dasar materi, yang ditemui para ilmuwan setelah akselerator yang cukup kuat diciptakan. Salah satu penghuni "kebun binatang" yang paling banyak adalah objek yang disebut meson. Keluarga partikel ini, bersama dengan baryon, termasuk dalam kelompok besar hadron. Studi mereka memungkinkan untuk menembus ke tingkat yang lebih dalam dari struktur materi dan berkontribusi pada penyusunan pengetahuan tentang hal itu ke dalam teori modern partikel fundamental dan interaksi - Model Standar.
Riwayat penemuan
Pada awal 1930-an, setelah komposisi inti atom diklarifikasi, muncul pertanyaan tentang sifat gaya yang memastikan keberadaannya. Jelas bahwa interaksi yang mengikat nukleon harus sangat intens dan dilakukan melalui pertukaran partikel tertentu. Perhitungan yang dilakukan pada tahun 1934 oleh ahli teori Jepang H. Yukawa menunjukkan bahwa benda-benda ini 200–300 kali lebih besar dari massa elektron dan,masing-masing, beberapa kali lebih rendah dari proton. Kemudian mereka menerima nama meson, yang dalam bahasa Yunani berarti "tengah". Namun, deteksi langsung pertama mereka ternyata menjadi "salah tembak" karena kedekatan massa partikel yang sangat berbeda.
Pada tahun 1936, objek (mereka disebut mu-meson) dengan massa yang sesuai dengan perhitungan Yukawa ditemukan dalam sinar kosmik. Tampaknya kuantum gaya nuklir yang dicari telah ditemukan. Namun kemudian ternyata mu-meson adalah partikel yang tidak berhubungan dengan interaksi pertukaran antar nukleon. Mereka, bersama dengan elektron dan neutrino, termasuk dalam kelas objek lain dalam mikrokosmos - lepton. Partikel-partikel itu berganti nama menjadi muon dan pencarian dilanjutkan.
Yukawa quanta ditemukan hanya pada tahun 1947 dan disebut "pi-meson", atau pion. Ternyata pi-meson bermuatan listrik atau netral memang partikel yang pertukarannya memungkinkan nukleon hidup berdampingan di dalam nukleus.
Struktur meson
Segera menjadi jelas: peony datang ke "kebun binatang partikel" tidak sendirian, tetapi dengan banyak kerabat. Namun, karena jumlah dan variasi partikel-partikel ini, dimungkinkan untuk menetapkan bahwa mereka adalah kombinasi dari sejumlah kecil objek fundamental. Quark ternyata merupakan elemen struktural seperti itu.
Meson adalah keadaan terikat dari quark dan antiquark (koneksi dilakukan melalui kuanta interaksi kuat - gluon). Muatan "kuat" dari sebuah quark adalah bilangan kuantum, yang secara konvensional disebut "warna". Namun, semua hadrondan meson di antara mereka, tidak berwarna. Apa artinya? Meson dapat dibentuk oleh quark dan antiquark dari berbagai jenis (atau, seperti yang mereka katakan, rasa, "rasa"), tetapi selalu menggabungkan warna dan antiwarna. Misalnya, +-meson dibentuk oleh sepasang u-quark - anti-d-quark (ud̄), dan kombinasi muatan warnanya dapat berupa "biru - anti- biru", "merah - anti-merah" atau hijau-anti-hijau. Pertukaran gluon mengubah warna quark, sedangkan meson tetap tidak berwarna.
Quark dari generasi yang lebih tua, seperti s, c dan b, memberikan rasa yang sesuai dengan meson yang mereka bentuk - keanehan, pesona dan pesona, yang diungkapkan oleh bilangan kuantumnya sendiri. Muatan listrik bilangan bulat meson terdiri dari muatan pecahan partikel dan antipartikel yang membentuknya. Selain pasangan ini, yang disebut quark valensi, meson mencakup banyak pasangan virtual ("laut") dan gluon.
Meson dan gaya fundamental
Meson, atau lebih tepatnya, quark yang menyusunnya, berpartisipasi dalam semua jenis interaksi yang dijelaskan oleh Model Standar. Intensitas interaksi berhubungan langsung dengan kesimetrisan reaksi yang ditimbulkannya, yaitu kekekalan besaran tertentu.
Proses lemah adalah yang paling tidak intens, mereka menghemat energi, muatan listrik, momentum, momentum sudut (putaran) – dengan kata lain, hanya simetri universal yang bekerja. Dalam interaksi elektromagnetik, jumlah paritas dan rasa kuantum meson juga dilestarikan. Ini adalah proses yang memainkan peran penting dalam reaksipembusukan.
Interaksi kuat adalah yang paling simetris, mempertahankan besaran lain, khususnya isospin. Ini bertanggung jawab untuk retensi nukleon dalam nukleus melalui pertukaran ion. Dengan memancarkan dan menyerap pi-meson bermuatan, proton dan neutron mengalami transformasi timbal balik, dan selama pertukaran partikel netral, masing-masing nukleon tetap menjadi dirinya sendiri. Bagaimana hal ini dapat direpresentasikan pada tingkat quark ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Interaksi kuat juga mengatur hamburan meson oleh nukleon, produksinya dalam tumbukan hadron dan proses lainnya.
Apa itu quarkonium
Kombinasi quark dan antiquark dengan rasa yang sama disebut quarkonia. Istilah ini biasanya digunakan untuk meson yang mengandung c- dan b-quark masif. T-quark yang sangat berat tidak punya waktu untuk memasuki keadaan terikat sama sekali, langsung meluruh menjadi yang lebih ringan. Kombinasi cc̄ disebut charmonium, atau partikel dengan pesona tersembunyi (J/ψ-meson); kombinasi bb̄ adalah bottomonium, yang memiliki pesona tersembunyi (Υ-meson). Keduanya dicirikan oleh adanya banyak keadaan resonansi - tereksitasi.
Partikel yang dibentuk oleh komponen ringan - uū, dd̄ atau ss̄ - adalah superposisi (superposisi) rasa, karena massa quark ini nilainya mendekati. Jadi, 0-meson netral adalah superposisi dari keadaan uū dan dd̄, yang memiliki himpunan bilangan kuantum yang sama.
Ketidakstabilan meson
Kombinasi partikel dan antipartikel menghasilkanbahwa kehidupan meson mana pun berakhir dengan pemusnahan mereka. Seumur hidup tergantung pada interaksi mana yang mengontrol pembusukan.
- Meson yang meluruh melalui saluran pemusnahan "kuat", katakanlah, menjadi gluon dengan kelahiran meson baru berikutnya, tidak berumur panjang - 10-20 - 10 - 21 hal. Contoh partikel tersebut adalah quarkonia.
- Pemusnahan elektromagnetik juga cukup intens: masa hidup 0-meson, yang pasangan quark-antiquarknya hancur menjadi dua foton dengan probabilitas hampir 99%, adalah sekitar 8 10 -17 s.
- Pemusnahan lemah (meluruh menjadi lepton) berlangsung dengan intensitas yang jauh lebih sedikit. Jadi, pion bermuatan (π+ – ud̄ – atau - – dū) hidup cukup lama – rata-rata 2,6 10 -8 s dan biasanya meluruh menjadi muon dan neutrino (atau antipartikel yang sesuai).
Kebanyakan meson disebut resonansi hadron, berumur pendek (10-22 – 10-24 c) fenomena yang terjadi dalam rentang energi tinggi tertentu, mirip dengan keadaan tereksitasi atom. Mereka tidak terdaftar pada detektor, tetapi dihitung berdasarkan keseimbangan energi reaksi.
Putaran, momentum orbital, dan paritas
Tidak seperti baryon, meson adalah partikel elementer dengan nilai bilangan bulat bilangan spin (0 atau 1), yaitu boson. Quark adalah fermion dan memiliki putaran setengah bilangan bulat. Jika momen momentum quark dan antiquark sejajar, makajumlah - meson spin - sama dengan 1, jika antiparalel sama dengan nol.
Karena sirkulasi timbal balik dari sepasang komponen, meson juga memiliki bilangan kuantum orbital, yang berkontribusi pada massanya. Momentum orbital dan spin menentukan momentum sudut total partikel, terkait dengan konsep spasial, atau paritas-P (simetri tertentu dari fungsi gelombang sehubungan dengan inversi cermin). Sesuai dengan kombinasi spin S dan internal (terkait dengan kerangka acuan partikel itu sendiri) Paritas-P, jenis meson berikut dibedakan:
- pseudoscalar - paling ringan (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- vektor semu (S=1, P=1).
Tiga jenis terakhir adalah meson yang sangat masif, yang merupakan keadaan energi tinggi.
Isotopik dan simetri kesatuan
Untuk klasifikasi meson, lebih mudah menggunakan bilangan kuantum khusus - putaran isotop. Dalam proses kuat, partikel dengan nilai isospin yang sama berpartisipasi secara simetris, terlepas dari muatan listriknya, dan dapat direpresentasikan sebagai keadaan muatan yang berbeda (proyeksi isospin) dari satu objek. Sekumpulan partikel seperti itu, yang massanya sangat dekat, disebut isomultiplet. Misalnya, isotriplet pion mencakup tiga status: +, 0 dan --meson.
Nilai isospin dihitung dengan rumus I=(N–1)/2, di mana N adalah jumlah partikel dalam kelipatan. Jadi, isospin pion sama dengan 1, dan proyeksinya Iz dalam muatan khususspasi masing-masing adalah +1, 0 dan -1. Empat meson aneh - kaon - membentuk dua isoganda: K+ dan K0 dengan isospin +½ dan keanehan +1 dan rangkap antipartikel K- dan K̄0, yang nilainya negatif.
Muatan listrik hadron (termasuk meson) Q terkait dengan proyeksi isospin Iz dan yang disebut hipermuatan Y (jumlah bilangan baryon dan semua rasa angka). Hubungan ini dinyatakan dengan rumus Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Jelas bahwa semua anggota dari satu multiplet memiliki hypercharge yang sama. Jumlah baryon meson adalah nol.
Kemudian, meson dikelompokkan dengan spin dan paritas tambahan menjadi supermultiplet. Delapan meson pseudoscalar membentuk oktet, partikel vektor membentuk nonet (sembilan), dan seterusnya. Ini adalah manifestasi dari simetri tingkat yang lebih tinggi yang disebut kesatuan.
Meson dan pencarian Fisika Baru
Saat ini, fisikawan secara aktif mencari fenomena, deskripsi yang akan mengarah pada perluasan Model Standar dan melampauinya dengan pembangunan teori dunia mikro yang lebih dalam dan lebih umum - Fisika Baru. Diasumsikan bahwa Model Standar akan memasukkannya sebagai kasus energi rendah yang membatasi. Dalam pencarian ini, studi tentang meson memainkan peran penting.
Yang menarik adalah meson eksotis - partikel dengan struktur yang tidak sesuai dengan kerangka model biasa. Jadi, di Hadron BesarCollider pada tahun 2014 mengkonfirmasi tetraquark Z(4430), keadaan terikat dari dua pasangan ud̄cc̄ quark-antiquark, produk peluruhan perantara dari meson B yang indah. Peluruhan ini juga menarik dalam hal kemungkinan penemuan hipotesis kelas baru partikel - leptoquark.
Model juga memprediksi keadaan eksotik lainnya yang harus diklasifikasikan sebagai meson, karena mereka berpartisipasi dalam proses kuat, tetapi memiliki angka baryon nol, seperti bola lem, yang dibentuk hanya oleh gluon tanpa quark. Semua objek tersebut dapat secara signifikan menambah pengetahuan kita tentang sifat interaksi fundamental dan berkontribusi pada pengembangan lebih lanjut dari fisika dunia mikro.
