Мезон

У этого термина существуют и другие значения, см. Мезон (значения).

Мезо́н (от др.-греч. μέσος — средний) — бозон сильного взаимодействия. В Стандартной модели, мезоны — это составные (не-элементарные) частицы, состоящие из чётного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и многие другие более тяжёлые мезоны. Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, переносящие силы, которые связывают протоны и нейтроны.

Бо́льшая часть массы мезона происходит из энергии связи, а не из суммы масс составляющих его частиц.

Все мезоны нестабильны.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы слева, Бозоны справа. (пункты на картинке кликабельны)

Предсказание и обнаружение

В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Впоследствии за эту свою работу Х. Юкава был награждён Нобелевской премией по физике.

Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за его подходящей массы) обнаруженный в конце 1930-х годов мюон, который назвали μ-мезоном. Однако в конце 1940-х было установлено, что мюон не подвержен сильному взаимодействию и относится, как и электрон, к классу лептонов (поэтому и название μ-мезон является неправильным).

Пион был первым экспериментально открытым (1947) настоящим мезоном.

До открытия^[как?] тетракварков считалось, что все известные мезоны состоят из пары кварк-антикварк (т. н. валентных кварков) и из «моря» виртуальных кварк-антикварковых пар и виртуальных глюонов. Валентные кварки могут существовать в виде суперпозиции состояний с разным ароматом; например нейтральный пион не является ни парой $u \bar{u}$, ни парой $d \bar{d}$ кварков, а представляет собой суперпозицию обоих.

Псевдоскалярные мезоны (спин=0) имеют минимальную энергию покоя, так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельные спины, после них идут векторные мезоны (спин=1) в которых спины кварков параллельны. Оба типа встречаются в более высоких энергетических состояниях, в которых спин складывается с орбитальным (угловым) моментом (сегодняшняя картина внутриядерных сил довольно сложна, для детального ознакомления с ролью мезонов см. Современное состояние теории сильных взаимодействий).

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, все квантовые числа ароматов которых равны нулю. Это означает, что эти мезоны являются состояниями кваркония (пар кварк-антикварк одинакового аромата) или линейными комбинациями таких состояний.

Имя мезона определяется его суммарным спином S и суммарным орбитальным угловым моментом L. Так как мезон составлен из двух кварков с s = 1/2, суммарный спин может быть только S = 1 (параллельные спины) или S = 0 (антипараллельные спины). Орбитальное квантовое число L появляется за счет вращения одного кварка вокруг другого. Обычно больший орбитальный момент проявляется в виде большей массы мезона. Эти два квантовых числа определяют чётность P и зарядово-сопряжённую чётность C мезона:

P = (−1)^L+1

C = (−1)^L+S

Также L и S складываются в полный момент J, который может принимать значения от |L−S| до L+S с шагом единица. Возможные комбинации описываются при помощи символа терма ^2S+1L_J (вместо числового значения L используется буквенный код, см. спектроскопические символы) и символа J^PC (для обозначения используется только знак P и C)

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: φ предполагается состоянием $s\bar s$, а ω — состоянием $u \bar u + d \bar d.$ В других случаях точный состав неизвестен, так что используется штрих для различения двух форм.

^• По историческим причинам, 1³S₁ форма ψ называется J/ψ.

^** Символом состояния боттониум является заглавный ипсилон Υ (в зависимости от браузера может отображаться как заглавная Y).

Нормальные спин-чётные последовательности формируются мезонами, у которых P = (−1)^J. В нормальной последовательности S = 1, так что PC = +1 (то есть P = 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 с J^P = 0⁻ известны как псевдоскаляры, а мезоны с J^P = 1⁻ называются векторами. Для остальных частиц число J добавляется в виде нижнего индекса: a₀, a₁, χ_c1 и т. д.
• Для большинства ψ, Υ и χ состояний обычно добавляют к обозначению спектроскопическую информацию: Υ(1S), Υ(2S). Первое число — это главное квантовое число, а буква является спектроскопическим обозначением L. Мультиплетность опускается, так как она следует из буквы, к тому же J при 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 состояниями глюония. Поэтому глюониевые состояния используют такую же схему обозначений.
• Для экзотических мезонов с «запрещённым» набором квантовых чисел J^PC = 0^{− −}, 0^{+ −}, 1^{− +}, 2^{+ −}, 3^{− +}, … используют те же обозначения, что и для мезонов с идентичными числами J^P, за исключением добавки нижнего индекса J. Мезоны с изоспином 0 и J^PC = 1^{− +} обозначаются как ω₁. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как X с 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 у u- и d-кварков аромата нет, вследствие этого они не влияют на название. Кварк t никогда не встречается в адронах, но символ для мезонов, содержащих t, зарезервирован.

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

Следует отметить тот факт, что с s- и b-кварками используется символ античастицы. Это происходит из-за принятого соглашения о том, что заряд аромата и электрический заряд должны иметь одинаковый знак. Это же верно и для третъей компоненты изоспина: кварк u имеет положительную проекцию изоспина I₃ и заряд, а кварк d имеет отрицательные I₃ и заряд. В результате любой аромат заряженного мезона имеет тот же знак, что и его электрический заряд.

2. Если второй кварк тоже имеет аромат (любой, кроме u и d), то его наличие обозначается в виде нижнего индекса (s, c или b и, теоретически, t).

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

4. Для мезонов, за исключением псевдоскаляров (0⁻) и векторов (1⁻), добавляется в виде нижнего индекса квантовое число полного углового момента J.

Подводя итог, получим:

кварковый состав	Изоспин	JP = 0−, 1+, 2−…	JP = 0+, 1−, 2+…
$\bar su,\ \bar sd$	1/2	$K_J$ †	$K^*_J$
$c \bar u,\ c\bar d$	1/2	$D_J$	$D^*_J$
$c \bar s$	0	$D_{sJ}$	$D^*_{sJ}$
$\bar bu,\ \bar bd$	1/2	$B_J$	$B^*_J$
$\bar bs$	0	$B_{sJ}$	$B^*_{sJ}$
$\bar bc$	0	$B_{cJ}$	$B^*_{cJ}$

† J опущен для 0⁻ and 1⁻.

Иногда частицы могут смешиваться. Например нейтральный каон $K^0\,(\bar sd)$ и его античастица $\bar K^0\,(s\bar d)$ могут входить в симметричную или антисимметричную комбинацию, приводя к двум частицам — короткоживущему и долгоживущему нейтральным каонам $K^0_S = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0-\bar K^0),\;K^0_L = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0 + \bar K^0)$.

Таблица некоторых мезонов

Различные типы мезонов (не полностью)

Частица	Обозначение	Анти- частица	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

Ссылки

В Викисловаре есть статья «мезон»

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

Частицы в физике

 

Элементарные частицы	Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино
Составные частицы	Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон
Квазичастицы	Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон
Списки	Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц