Мезон

Мезо́н(отдр.-греч.μέσος‘средний’) —адрон,имеющий нулевое значениебарионного числа.ВСтандартной моделимезоны — составныеэлементарные частицы,состоящие из равного числакварковиантикварков.К мезонам относятсяпионы(π-мезоны),каоны(K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны.

Краткий обзор различных семействэлементарныхисоставных частици теории, описывающие ихвзаимодействия.Элементарные частицы слева —фермионы,справа —бозоны.(Термины — гиперссылки на статьи Википедии)

Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, являющиеся переносчикамисильного взаимодействияи отвечающие за удержаниепротоновинейтроновватомных ядрах.

Все мезоны нестабильны. Благодаря наличиюэнергии связимассамезона во много раз больше суммы масс составляющих его кварков.

Предсказание и обнаружение

В1934 годуяпонский физикХ. Юкавапостроил первую количественную теорию взаимодействиянуклонов,происходящего посредством обмена ещё не открытыми тогда частицами, которые сейчас известны какпионы(илипи-мезоны). Впоследствии Х. Юкава был награждён в1949 годуНобелевской премией по физике—за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам.

Первоначальнотермин«мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за подходящей массы) обнаруженный в1936 годумюон,который назвалиμ-мезоном.Сначала его и приняли за мезон Юкавы; однако в1940-х годахбыло установлено, что мюон не подверженсильному взаимодействиюи относится, как иэлектрон,к классулептонов(поэтому и название μ-мезон является неправильным, так что специалисты обычно его избегают). Первым настоящим мезоном оказался открытый в1947 годупион,действительно являющийся переносчикомядерных взаимодействийв соответствии с теорией Юкавы (данную роль он выполняет на расстояниях порядкакомптоновской длины волныпиона, составляющей примерно 1,46·10⁻¹⁵м, в то время как на меньших расстояниях существенный вклад в ядерные взаимодействия вносят более тяжёлые мезоны:ρ-,φ-,ω-мезоны и др.).

До открытиятетракварковсчиталось, что все известные мезоны состоят изпарыкварк-антикварк (т. н.валентных кварков) и из «моря»виртуальныхкварк-антикварковых пар и виртуальныхглюонов.При этом валентные кварки могут существовать не только в «чистом» виде, но и в видесуперпозициисостояний с разнымароматом;например, нейтральныйпионне является ни парой$\mathrm {u{\bar {u}}}$,ни парой$\mathrm {d{\bar {d}}}$кварков, а представляет собой суперпозицию обоих:$({\mathrm {u{\bar {u}}} }-{\mathrm {d{\bar {d}}} })\,/\,{\sqrt {2}}$.

В зависимости от комбинации значенийполного углового моментаJичётностиP(обозначаетсяJ^P) различаютпсевдоскалярные(0^-),векторные(1^-),скалярные(0⁺),псевдовекторные(1⁺) и другие мезоны.Псевдоскалярные мезоны имеют минимальнуюэнергию покоя,так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельныеспины;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 орбитальнымугловыммоментом (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 — мезонногорезонансаZ(4430),впервые обнаруженного коллаборацией Belle в 2007 году,была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb.Установлено, что этот резонанс имеет кварковый состав$\mathrm {c}$$\mathrm {\bar {c}}$$\mathrm {d}$$\mathrm {\bar {u}}$и относится к типу псевдовекторных мезонов.

Номенклатура мезонов

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, всеквантовые числаароматов которых равны нулю. Это означает, что эти мезоны являются состояниямикваркония(пар кварк-антикварк одинакового аромата) или линейными комбинациями таких состояний.

Имя мезона определяется его суммарнымспиномSи суммарныморбитальным угловым моментомL.Так как мезон составлен из двух кварков сs= 1/2,суммарный спин может быть толькоS= 1(параллельные спины) илиS= 0(антипараллельные спины). Орбитальное квантовое числоLпоявляется за счет вращения одного кварка вокруг другого. Обычно больший орбитальный момент проявляется в виде большей массы мезона. Эти два квантовых числа определяютчётностьPи (для нейтральных мезонов)зарядово-сопряжённую чётностьCмезона:

P= (−1)^L+1

C= (−1)^L+S

ТакжеLиSскладываются вполный угловой моментJ,который может принимать значения от |L−S| доL+Sс шагом единица. Возможные комбинации описываются при помощи символа (терма)^2S+1L_J(вместо числового значенияLиспользуется буквенный код, см.спектроскопические символы) и символаJ^PC(для обозначения используется только знакPиC).

Возможные комбинации и соответствующие обозначения мезонов даны в таблице:

	JPC=	(0, 2…)− +	(1, 3…)+ −	(1,2…)− −	(0, 1…)+ +
Кварковый состав	2S+1LJ=*	1(S,D,…)J	1(P,F,…)J	3(S,D,…)J	3(P,F,…)J
$u{\bar {d}}{\mbox{, }}u{\bar {u}}-d{\bar {d}}{\mbox{, }}d{\bar {u}}$†	I= 1	π	b	ρ	a
$u{\bar {u}}+d{\bar {d}}{\mbox{, }}s{\bar {s}}$†	I= 0	η, η’	h,h’	φ, ω	f,f’
$c{\bar {c}}$	I= 0	ηc	hc	ψ•	χc
$b{\bar {b}}$	I= 0	ηb	hb	Υ**	χb

Примечания:

^*Некоторые комбинации запрещены: 0^{− −},0^{+ −},1^{− +},2^{+ −},3^{− +}…

^†Первый ряд образует изоспиновые триплеты:π⁻,π⁰,π⁺и т. д.

^†Второй ряд содержит пары частиц:φпредполагается состоянием$s{\bar {s}}$,аω— состоянием$u{\bar {u}}+d{\bar {d}}.$В других случаях точный состав неизвестен, так что используется штрих для различения двух форм.

^•По историческим причинам, 1³S₁формаψназываетсяJ/ψ.

^**Символом состоянияботтониумявляется заглавный ипсилонΥ(в зависимости от браузера может отображаться как заглавная Y).

Нормальные спин-чётные последовательностиформируются мезонами, у которыхP= (−1)^J.В нормальной последовательностиS= 1,так чтоPC= +1(то естьP=C). 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 сJ^P= 0⁻известны какпсевдоскаляры,а мезоны сJ^P= 1⁻называютсявекторами.Для остальных частиц числоJдобавляется в виде нижнего индекса:a₀,a₁,χ_c1и т. д.
• Для большинстваψ,Υиχсостояний обычно добавляют к обозначению спектроскопическую информацию:Υ(1S),Υ(2S).Первое число — этоглавное квантовое число,а буква является спектроскопическим обозначениемL.Мультиплетностьопускается, так как она следует из буквы, к тому жеJпри необходимости пишут в виде нижнего индекса:χ_b2(1P).Если спектроскопическая информация недоступна, то вместо неё используется масса:Υ(9460)
• Схема обозначений не различает между «чистыми» кварковыми состояниями и состояниямиглюония.Поэтому глюониевые состояния используют такую же схему обозначений.
• Для экзотических мезонов с «запрещённым» набором квантовых чиселJ^PC= 0^{− −},0^{+ −},1^{− +},2^{+ −},3^{− +},…используют те же обозначения, что и для мезонов с идентичными числамиPC,за исключением добавки нижнего индексаJ.Мезоны с изоспином 0 иJ^PC= 1^{− +}обозначаются какη₁.Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается какXс 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:t>b>c>s>d>u.Однако уu- иd-кварковароматанет, вследствие этого они не влияют на название. Кваркtникогда не встречается в адронах, но символ для мезонов, содержащихt,зарезервирован.

кварк	символ	кварк	символ
c	D	t	T
s	${\bar {K}}$	b	${\bar {B}}$

Следует отметить тот факт, что сs- иb-кварками используется символ античастицы. Это происходит из-за принятого соглашения о том, что заряд аромата иэлектрический заряддолжны иметь одинаковый знак. Это же верно и для третей компонентыизоспина:кваркuимеет положительную проекциюизоспинаI₃и заряд, а кваркdимеет отрицательныеI₃и заряд. В результате любой аромат заряженного мезона имеет тот же знак, что и его электрический заряд.

2. Если второй кварк тоже имеет аромат (любой, кромеuиd), то его наличие обозначается в виде нижнего индекса (s,cилиbи, теоретически,t).

3. Если мезон принадлежит нормальной спин-чётной последовательности, то естьJ^P= 0⁺,1⁻,2⁺,…, то добавляется верхний индекс «*».

4. Для мезонов, за исключениемпсевдоскаляров(0⁻) ивекторов(1⁻), добавляется в виде нижнего индексаквантовое число полного углового моментаJ.

Подводя итог, получим:

Кварковый состав	Изоспин	JP= 0−,1+,2−…	JP= 0+,1−,2+…
${\bar {s}}u,\ {\bar {s}}d$	1/2	$K_{J}$†	$K_{J}^{*}$
$c{\bar {u}},\ c{\bar {d}}$	1/2	$D_{J}$	$D_{J}^{*}$
$c{\bar {s}}$	0	$D_{sJ}$	$D_{sJ}^{*}$
${\bar {b}}u,\ {\bar {b}}d$	1/2	$B_{J}$	$B_{J}^{*}$
${\bar {b}}s$	0	$B_{sJ}$	$B_{sJ}^{*}$
${\bar {b}}c$	0	$B_{cJ}$	$B_{cJ}^{*}$

†Jопущен для 0⁻and 1⁻.

Иногда частицы могут смешиваться. Например, нейтральныйкаон$K^{0}\,({\bar {s}}d)$и его античастица${\bar {K}}^{0}\,(s{\bar {d}})$вслабых взаимодействиях,как показали в 1955 годуМ. Гелл-МанниА. Пайс,ведут себя как симметричная или антисимметричная комбинации, каждой из которых соответствует своя частица: короткоживущий нейтральный каон$K_{S}^{0}={\begin{matrix}{{\sqrt {2}} \over 2}\end{matrix}}(K^{0}-{\bar {K}}^{0})$сPC= +1,обычно распадающийся на два пиона (π⁰π⁰илиπ⁺π⁻), и долгоживущий нейтральный каон$K_{L}^{0}={\begin{matrix}{{\sqrt {2}} \over 2}\end{matrix}}(K^{0}+{\bar {K}}^{0})$сPC= -1,обычно распадающийся либо на три пиона, либо на пион, электрон (или мюон) и нейтрино.

Таблица некоторых мезонов

Различные типы мезонов (не полностью)

Частица	Обозначение	Античастица	Состав	Масса,МэВ/c²	S	C	B	время жизни,с
Пион	π+	π−	$\mathrm {u{\bar {d}}}$	139,6	0	0	0	2,60⋅10−8
	π0		$\mathrm {\frac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	135,0	0	0	0	0,84⋅10−16
Каон	K+	K−	$\mathrm {u{\bar {s}}}$	493,7	+1	0	0	1,24⋅10−8
	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	497,7	+1	0	0	0,89⋅10−10
	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	497,7	+1	0	0	5,2⋅10−8
Эта	η0		$\mathrm {\frac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}-2s{\bar {s}}}{\sqrt {6}}}$	547,8	0	0	0	0,5⋅10−18
Ро	ρ+	ρ−	$\mathrm {u{\bar {d}}}$	776	0	0	0	0,4⋅10−23
Фи	φ		$\mathrm {s{\bar {s}}}$	1019	0	0	0	16⋅10−23
D	D+	D−	$\mathrm {c{\bar {d}}}$	1869	0	+1	0	10,6⋅10−13
	D0	$\mathrm {{\bar {D}}^{0}}$	$\mathrm {c{\bar {u}}}$	1865	0	+1	0	4,1⋅10−13
	$\mathrm {D_{S}^{+}}$	$\mathrm {D_{S}^{-}}$	$\mathrm {c{\bar {s}}}$	1968	+1	+1	0	4,9⋅10−13
J/ψ	J/ψ		$\mathrm {c{\bar {c}}}$	3096,9	0	0	0	7,2⋅10−21
B	B−	B+	$\mathrm {b{\bar {u}}}$	5279	0	0	−1	1,7⋅10−12
	B0	$\mathrm {{\bar {B}}^{0}}$	$\mathrm {d{\bar {b}}}$	5279	0	0	−1	1,5⋅10−12
Ипсилон	Υ		$\mathrm {b{\bar {b}}}$	9460	0	0	0	1,3⋅10−20

См. также

• Элементарные частицы
• Кварковая модель

Литература

• Бояркин О. М..Введение в физику элементарных частиц. 2-е изд. —М.:КомКнига, 2006. — 264 с. —ISBN 978-5-484-00375-4.
• Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff.Hadrons and Quark-Gluon Plasma. —Cambridge University Press,2002. — 415 p. —ISBN 9780511037276.

Ссылки

• Таблица мезонов и их свойств
• Информация о частицах отГруппы по свойствам частицhttp://pdg.lbl.gov
• hep-ph/0211411: Лёгкие скалярные мезоны согласно кварковой модели.
• Номенклатура адронов.