მე-20 საუკუნის შუა ხანებისთვის ფიზიკაში გაჩნდა ცნება "ნაწილაკების ზოოპარკი", რაც გულისხმობს მატერიის სხვადასხვა ელემენტარულ შემადგენელ კომპონენტს, რომელსაც მეცნიერები შეხვდნენ საკმარისად ძლიერი ამაჩქარებლების შექმნის შემდეგ. "ზოოპარკის" ერთ-ერთი ყველაზე მრავალრიცხოვანი ბინადარი იყო მეზონები. ნაწილაკების ეს ოჯახი, ბარიონებთან ერთად, შედის ჰადრონების დიდ ჯგუფში. მათმა შესწავლამ შესაძლებელი გახადა მატერიის სტრუქტურის უფრო ღრმა დონეზე შეღწევა და ხელი შეუწყო მის შესახებ ცოდნის მოწესრიგებას ფუნდამენტური ნაწილაკებისა და ურთიერთქმედებების თანამედროვე თეორიაში - სტანდარტულ მოდელში.
აღმოჩენის ისტორია
1930-იანი წლების დასაწყისში, მას შემდეგ, რაც ატომური ბირთვის შემადგენლობა დაზუსტდა, გაჩნდა კითხვა იმ ძალების ბუნების შესახებ, რომლებიც უზრუნველყოფენ მის არსებობას. ცხადი იყო, რომ ურთიერთქმედება, რომელიც აკავშირებს ნუკლეონებს, უნდა იყოს უკიდურესად ინტენსიური და განხორციელდეს გარკვეული ნაწილაკების გაცვლის გზით. იაპონელი თეორეტიკოსის ჰ. იუკავას მიერ 1934 წელს ჩატარებულმა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ეს ობიექტები 200-300-ჯერ აღემატება ელექტრონს მასით და,შესაბამისად რამდენჯერმე ჩამოუვარდება პროტონს. მოგვიანებით მათ მიიღეს მეზონების სახელი, რაც ბერძნულად ნიშნავს "შუა". თუმცა, მათი პირველი პირდაპირი გამოვლენა აღმოჩნდა „გაურკვევლობა“ძალიან განსხვავებული ნაწილაკების მასების სიახლოვის გამო.
1936 წელს კოსმოსურ სხივებში აღმოაჩინეს ობიექტები (მათ ეძახდნენ მუ-მეზონებს) იუკავას გამოთვლების შესაბამისი მასით. ჩანდა, რომ ნაპოვნი იქნა ბირთვული ძალების საძებნი რაოდენობა. მაგრამ შემდეგ გაირკვა, რომ მუ-მეზონები არის ნაწილაკები, რომლებიც არ არიან დაკავშირებული ნუკლეონებს შორის გაცვლით ურთიერთქმედებებთან. ისინი, ელექტრონთან და ნეიტრინოსთან ერთად, მიეკუთვნებიან მიკროსამყაროს ობიექტების სხვა კლასს - ლეპტონებს. ნაწილაკებს დაარქვეს მიონები და ძებნა გაგრძელდა.
იუკავას კვანტები აღმოაჩინეს მხოლოდ 1947 წელს და უწოდეს "პი-მეზონები", ანუ პიონები. აღმოჩნდა, რომ ელექტრულად დამუხტული ან ნეიტრალური პი-მეზონი არის ნაწილაკი, რომლის გაცვლაც ბირთვში ნუკლეონების თანაარსებობის საშუალებას აძლევს.
მეზონის სტრუქტურა
თითქმის მაშინვე გაირკვა: პეონები "ნაწილაკების ზოოპარკში" მოვიდნენ არა მარტო, არამედ მრავალ ნათესავთან ერთად. თუმცა, ამ ნაწილაკების რაოდენობისა და მრავალფეროვნების გამო შესაძლებელი გახდა იმის დადგენა, რომ ისინი მცირე რაოდენობის ფუნდამენტური ობიექტების კომბინაციაა. ასეთი სტრუქტურული ელემენტები აღმოჩნდა კვარკები.
მეზონი არის კვარკისა და ანტიკვარკის შეკრული მდგომარეობა (კავშირი ხორციელდება ძლიერი ურთიერთქმედების კვანტების - გლუონების საშუალებით). კვარკის „ძლიერი“მუხტი არის კვანტური რიცხვი, რომელსაც პირობითად „ფერს“უწოდებენ. თუმცა, ყველა ჰადრონსდა მათ შორის მეზონები უფეროა. Რას ნიშნავს? მეზონი შეიძლება ჩამოყალიბდეს სხვადასხვა ტიპის კვარკისა და ანტიკვარკისგან (ან, როგორც ამბობენ, არომატები, „არომატები“), მაგრამ ის ყოველთვის აერთიანებს ფერს და ანტიფერს. მაგალითად, π+-მეზონი წარმოიქმნება წყვილი u-კვარკი - ანტი-d-კვარკი (ud̄), და მათი ფერის მუხტების კომბინაცია შეიძლება იყოს "ლურჯი - ანტი-". ლურჯი", "წითელი - ანტიწითელი" ან მწვანე-ანტიმწვანე. გლუონების გაცვლა კვარკების ფერს ცვლის, მეზონი კი უფერო რჩება.
ძველი თაობების კვარკები, როგორიცაა s, c და b, შესაბამის არომატს ანიჭებენ მათ მიერ წარმოქმნილ მეზონებს - უცნაურობას, ხიბლს და მომხიბვლელობას, გამოხატული საკუთარი კვანტური რიცხვებით. მეზონის მთელი ელექტრული მუხტი შედგება ნაწილაკებისა და ანტინაწილაკების წილადი მუხტებისაგან, რომლებიც ქმნიან მას. გარდა ამ წყვილისა, რომელსაც უწოდებენ ვალენტურ კვარკებს, მეზონი მოიცავს ბევრ ("ზღვის") ვირტუალურ წყვილს და გლუონს.
მეზონები და ფუნდამენტური ძალები
მეზონები, უფრო სწორად, კვარკები, რომლებიც მათ ქმნიან, მონაწილეობენ სტანდარტული მოდელის მიერ აღწერილ ყველა სახის ურთიერთქმედებაში. ურთიერთქმედების ინტენსივობა პირდაპირ კავშირშია მის მიერ გამოწვეული რეაქციების სიმეტრიასთან, ანუ გარკვეული სიდიდის კონსერვაციასთან.
სუსტი პროცესები ყველაზე ნაკლებად ინტენსიურია, ისინი ინარჩუნებენ ენერგიას, ელექტრულ მუხტს, იმპულსს, კუთხურ იმპულსს (სპინი) - სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მოქმედებს მხოლოდ უნივერსალური სიმეტრიები. ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებაში მეზონების პარიტეტული და არომატული კვანტური რიცხვებიც შენარჩუნებულია. ეს ის პროცესებია, რომლებიც მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ რეაქციებშიდაშლა.
ძლიერი ურთიერთქმედება ყველაზე სიმეტრიულია, ინარჩუნებს სხვა რაოდენობებს, კერძოდ, იზოსპინს. ის პასუხისმგებელია ბირთვში იონური გაცვლის გზით ნუკლეონების შეკავებაზე. დამუხტული პი-მეზონების გამოსხივებით და შთანთქმით პროტონი და ნეიტრონი განიცდიან ურთიერთ გარდაქმნებს და ნეიტრალური ნაწილაკების გაცვლისას თითოეული ნუკლეონი რჩება თავისთავად. როგორ შეიძლება ეს იყოს წარმოდგენილი კვარკების დონეზე, ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე.
ძლიერი ურთიერთქმედება ასევე მართავს ნუკლეონების მიერ მეზონების გაფანტვას, მათ წარმოქმნას ჰადრონების შეჯახებისას და სხვა პროცესებში.
რა არის კვარკონიუმი
კვარკისა და იმავე არომატის ანტიკვარკის კომბინაციას კვარკონია ეწოდება. ეს ტერმინი ჩვეულებრივ გამოიყენება მეზონებზე, რომლებიც შეიცავს მასიურ c- და b- კვარკებს. უკიდურესად მძიმე ტ-კვარკს საერთოდ არ აქვს დრო, რომ შევიდეს შეკრულ მდგომარეობაში, მყისიერად იშლება მსუბუქ მდგომარეობაში. კომბინაციას cc̄ ეწოდება charmonium, ანუ ფარული ხიბლის მქონე ნაწილაკი (J/ψ-მეზონი); კომბინაცია bb̄ არის ქვედატონიუმი, რომელსაც აქვს ფარული ხიბლი (Υ-მეზონი). ორივე ხასიათდება მრავალი რეზონანსული - აღგზნებული მდგომარეობის არსებობით.
მსუბუქი კომპონენტებით წარმოქმნილი ნაწილაკები - uū, dd̄ ან ss̄ - არის არომატების სუპერპოზიცია (სუპერპოზიცია), ვინაიდან ამ კვარკების მასები მნიშვნელობით ახლოსაა. ამრიგად, ნეიტრალური π0-მეზონი არის uū და dd̄ მდგომარეობების სუპერპოზიცია, რომლებსაც აქვთ კვანტური რიცხვების იგივე სიმრავლე.
მეზონის არასტაბილურობა
ნაწილაკებისა და ანტინაწილაკების კომბინაცია იწვევსრომ ნებისმიერი მეზონის სიცოცხლე მათი განადგურებით სრულდება. სიცოცხლის ხანგრძლივობა დამოკიდებულია იმაზე, თუ რომელი ურთიერთქმედება აკონტროლებს დაშლას.
- მეზონები, რომლებიც იშლება "ძლიერი" განადგურების არხით, ვთქვათ, გლუონებად ახალი მეზონების შემდგომი დაბადებით, არც თუ ისე დიდხანს ცოცხლობენ - 10-20 - 10 - 21 გვ. ასეთი ნაწილაკების მაგალითია კვარკონია.
- ელექტრომაგნიტური ანიჰილაცია ასევე საკმაოდ ინტენსიურია: π0-მეზონის სიცოცხლე, რომლის კვარკ-ანტიკვარკის წყვილი ანადგურებს ორ ფოტონს, რომელთა ალბათობა თითქმის 99% შეადგენს. 8 ∙ 10 -17 წმ.
- სუსტი განადგურება (ლეპტონებად დაშლა) გაცილებით ნაკლები ინტენსივობით მიმდინარეობს. ამრიგად, დამუხტული პიონი (π+ – ud̄ – ან π- – dū) ცხოვრობს საკმაოდ დიდხანს – საშუალოდ 2,6 ∙ 10-8 წმ და ჩვეულებრივ იშლება მიონად და ნეიტრინოდ (ან შესაბამის ანტინაწილაკებად).
მეზონების უმეტესობა არის ეგრეთ წოდებული ჰადრონული რეზონანსები, ხანმოკლე (10-22 – 10-24 გ) ფენომენები, რომლებიც წარმოიქმნება გარკვეული მაღალი ენერგიის დიაპაზონში, ატომის აღგზნებული მდგომარეობების მსგავსი. ისინი არ არის რეგისტრირებული დეტექტორებზე, მაგრამ გამოითვლება რეაქციის ენერგეტიკული ბალანსის საფუძველზე.
სპინი, ორბიტალური იმპულსი და პარიტეტი
ბარიონებისგან განსხვავებით, მეზონები არის ელემენტარული ნაწილაკები სპინის რიცხვის მთელი მნიშვნელობით (0 ან 1), ანუ ისინი არიან ბოზონები. კვარკები ფერმიონები არიან და აქვთ ნახევარმთლიანი სპინი ½. თუ კვარკისა და ანტიკვარკის იმპულსის მომენტები პარალელურია, მაშინ მათიჯამი - მეზონის სპინი - უდრის 1-ს, თუ ანტიპარალელური იქნება ნულის ტოლი.
კომპონენტების წყვილის ურთიერთმიმოქცევის გამო, მეზონს ასევე აქვს ორბიტალური კვანტური რიცხვი, რომელიც განაპირობებს მის მასას. ორბიტალური იმპულსი და სპინი განსაზღვრავს ნაწილაკების მთლიან კუთხურ იმპულსს, რომელიც ასოცირდება სივრცითი ან P-პარიტეტის კონცეფციასთან (ტალღის ფუნქციის გარკვეული სიმეტრია სარკისებური ინვერსიის მიმართ). spin S-ისა და შიდა (ნაწილაკების საცნობარო სისტემასთან დაკავშირებული) P-პარიტეტის კომბინაციის შესაბამისად, განასხვავებენ მეზონების შემდეგ ტიპებს:
- ფსევდოსკალარი - ყველაზე მსუბუქი (S=0, P=-1);
- ვექტორი (S=1, P=-1);
- სკალარი (S=0, P=1);
- ფსევდო-ვექტორი (S=1, P=1).
ბოლო სამი ტიპი არის ძალიან მასიური მეზონები, რომლებიც მაღალი ენერგიის მდგომარეობაა.
იზოტოპური და უნიტარული სიმეტრიები
მეზონების კლასიფიკაციისთვის მოსახერხებელია სპეციალური კვანტური რიცხვის - იზოტოპური სპინის გამოყენება. ძლიერ პროცესებში, იზოსპინის იგივე მნიშვნელობის მქონე ნაწილაკები მონაწილეობენ სიმეტრიულად, მიუხედავად მათი ელექტრული მუხტისა, და შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ერთი ობიექტის სხვადასხვა მუხტის მდგომარეობებად (იზოსპინის პროექცია). ასეთი ნაწილაკების ერთობლიობას, რომლებიც ძალიან ახლოს არიან მასით, ეწოდება იზომმრავლება. მაგალითად, პიონის იზოტრიპლეტი მოიცავს სამ მდგომარეობას: π+, π0 და π--მეზონი.
იზოსპინის მნიშვნელობა გამოითვლება ფორმულით I=(N–1)/2, სადაც N არის ნაწილაკების რაოდენობა მრავალჯერადში. ამრიგად, პიონის იზოსპინი უდრის 1-ს და მისი პროგნოზები Iz სპეციალური მუხტით.სივრცე არის შესაბამისად +1, 0 და -1. ოთხი უცნაური მეზონი - კაონი - ქმნიან ორ იზოდორბლეტს: K+ და K0 იზოსპინით +½ და უცნაურობით +1 და ანტინაწილაკების ორმაგი K.- და K̄0, რისთვისაც ეს მნიშვნელობები უარყოფითია.
ჰადრონების (მეზონების ჩათვლით) ელექტრული მუხტი დაკავშირებულია იზოსპინის პროექციასთან Iz და ეგრეთ წოდებულ ჰიპერმუხტთან Y (ბარიონის რიცხვისა და მთელი არომატის ჯამი. ნომრები). ეს ურთიერთობა გამოიხატება Nishijima–Gell-Mann ფორმულით: Q=Iz + Y/2. ნათელია, რომ ერთი მულტიპლეტის ყველა წევრს ერთნაირი ჰიპერმუხტი აქვს. მეზონების ბარიონის რაოდენობა არის ნული.
შემდეგ, მეზონები დაჯგუფებულია დამატებითი სპინით და პარიტეტით სუპერმრავლებად. რვა ფსევდოსკალარული მეზონი ქმნის ოქტეტს, ვექტორული ნაწილაკები ქმნიან ნონეტს (ცხრას) და ა.შ. ეს არის უფრო მაღალი დონის სიმეტრიის გამოვლინება, რომელსაც ეწოდება უნიტარული.
მეზონები და ახალი ფიზიკის ძიება
ამჟამად ფიზიკოსები აქტიურად ეძებენ ფენომენებს, რომელთა აღწერაც გამოიწვევდა სტანდარტული მოდელის გაფართოებას და მის ფარგლებს მიღმა მიკროსამყაროს უფრო ღრმა და ზოგადი თეორიის - ახალი ფიზიკის აგებით. ვარაუდობენ, რომ სტანდარტული მოდელი მასში შევა როგორც შემზღუდველი, დაბალი ენერგიის შემთხვევა. ამ ძიებაში მეზონების შესწავლა მნიშვნელოვან როლს თამაშობს.
განსაკუთრებით საინტერესოა ეგზოტიკური მეზონები - ნაწილაკები სტრუქტურით, რომლებიც არ ჯდება ჩვეულებრივი მოდელის ჩარჩოებში. ასე რომ, დიდ ჰადრონშიკოლაიდერმა 2014 წელს დაადასტურა Z(4430) ტეტრაკვარკი, შეკრული მდგომარეობა ორი ud̄cc̄ კვარკ-ანტიკვარკის წყვილისგან, ლამაზი B მეზონის შუალედური დაშლის პროდუქტი. ეს დაშლა ასევე საინტერესოა ჰიპოთეტური ახალი კლასის ნაწილაკების - ლეპტოკვარკების შესაძლო აღმოჩენის თვალსაზრისით.
მოდელები ასევე პროგნოზირებენ სხვა ეგზოტიკურ მდგომარეობებს, რომლებიც უნდა იყოს კლასიფიცირებული, როგორც მეზონები, რადგან ისინი მონაწილეობენ ძლიერ პროცესებში, მაგრამ აქვთ ნულოვანი ბარიონის რიცხვი, როგორიცაა წებოები, რომლებიც წარმოიქმნება მხოლოდ გლუონებით კვარკების გარეშე. ყველა ასეთ ობიექტს შეუძლია მნიშვნელოვნად შეავსოს ჩვენი ცოდნა ფუნდამენტური ურთიერთქმედებების ბუნების შესახებ და წვლილი შეიტანოს მიკროსამყაროს ფიზიკის შემდგომ განვითარებაში.
