Мезон

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

Мезо́н (от др.-греч. μέσος ‘средний’) — адрон^[1], имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи Википедии)

Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия и отвечающие за удержание протонов и нейтронов в атомных ядрах.

Все мезоны нестабильны. Благодаря наличию энергии связи масса мезона во много раз больше суммы масс составляющих его кварков.

Предсказание и обнаружение

В 1934 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена ещё не открытыми тогда частицами, которые сейчас известны как пионы (или пи-мезоны). Впоследствии Х. Юкава был награждён в 1949 году Нобелевской премией по физике — за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам^[2][3].

Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за подходящей массы) обнаруженный в 1936 году мюон, который назвали μ-мезоном. Сначала его и приняли за мезон Юкавы; однако в 1940-х годах было установлено, что мюон не подвержен сильному взаимодействию и относится, как и электрон, к классу лептонов (поэтому и название μ-мезон является неправильным, так что специалисты обычно его избегают). Первым настоящим мезоном оказался открытый в 1947 году пион, действительно являющийся переносчиком ядерных взаимодействий в соответствии с теорией Юкавы (данную роль он выполняет на расстояниях порядка комптоновской длины волны пиона, составляющей примерно 1,46·10⁻¹⁵ м, в то время как на меньших расстояниях существенный вклад в ядерные взаимодействия вносят более тяжёлые мезоны: ρ-, φ-, ω-мезоны и др.)^[2][4].

До открытия 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. При этом валентные кварки могут существовать не только в «чистом» виде, но и в виде суперпозиции состояний с разным ароматом; например, нейтральный пион не является ни парой ${\displaystyle \mathrm {u{\bar {u}}} }$, ни парой ${\displaystyle \mathrm {d{\bar {d}}} }$ кварков, а представляет собой суперпозицию обоих: ${\displaystyle ({\mathrm {u{\bar {u}}} }-{\mathrm {d{\bar {d}}} })\,/\,{\sqrt {2}}}$^[5].

В зависимости от комбинации значений полного углового момента J и чётности P (обозначается J^P) различают псевдоскалярные^[англ.] (0^-), векторные (1^-), скалярные (0⁺), псевдовекторные^[англ.] (1⁺) и другие мезоны^[6]. Псевдоскалярные мезоны имеют минимальную энергию покоя, так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельные спины; 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 орбитальным угловым моментом (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 — мезонного резонанса Z(4430), впервые обнаруженного коллаборацией Belle в 2007 году^[7], была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb^[8]. Установлено, что этот резонанс имеет кварковый состав ${\displaystyle \mathrm {c} }$${\displaystyle \mathrm {\bar {c}} }$${\displaystyle \mathrm {d} }$${\displaystyle \mathrm {\bar {u}} }$ и относится к типу псевдовекторных мезонов^[9].

Номенклатура мезонов[10]

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 (для нейтральных мезонов) зарядово-сопряжённую чётность C мезона:

P = (−1)^L+1

C = (−1)^L+S

Также L и S складываются в полный угловой 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
${\displaystyle u{\bar {d}}{\mbox{, }}u{\bar {u}}-d{\bar {d}}{\mbox{, }}d{\bar {u}}}$ †	I = 1	π	b	ρ	a
${\displaystyle u{\bar {u}}+d{\bar {d}}{\mbox{, }}s{\bar {s}}}$ †	I = 0	η, η’	h, h’	φ, ω	f, f’
${\displaystyle c{\bar {c}}}$	I = 0	ηc	hc	ψ •	χc
${\displaystyle b{\bar {b}}}$	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 ${\displaystyle s{\bar {s}}}$, а ω — состоянием ${\displaystyle u{\bar {u}}+d{\bar {d}}.}$ 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 PC, за исключением добавки нижнего индекса J. Мезоны с изоспином 0 и J^PC = 1^{− +} обозначаются как η₁. 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	${\displaystyle {\bar {K}}}$	b	${\displaystyle {\bar {B}}}$

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 третей 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+…
${\displaystyle {\bar {s}}u,\ {\bar {s}}d}$	1/2	${\displaystyle K_{J}}$ †	${\displaystyle K_{J}^{*}}$
${\displaystyle c{\bar {u}},\ c{\bar {d}}}$	1/2	${\displaystyle D_{J}}$	${\displaystyle D_{J}^{*}}$
${\displaystyle c{\bar {s}}}$	0	${\displaystyle D_{sJ}}$	${\displaystyle D_{sJ}^{*}}$
${\displaystyle {\bar {b}}u,\ {\bar {b}}d}$	1/2	${\displaystyle B_{J}}$	${\displaystyle B_{J}^{*}}$
${\displaystyle {\bar {b}}s}$	0	${\displaystyle B_{sJ}}$	${\displaystyle B_{sJ}^{*}}$
${\displaystyle {\bar {b}}c}$	0	${\displaystyle B_{cJ}}$	${\displaystyle B_{cJ}^{*}}$

† J опущен для 0⁻ and 1⁻.

Иногда частицы могут смешиваться. Например, нейтральный каон ${\displaystyle K^{0}\,({\bar {s}}d)}$ и его античастица ${\displaystyle {\bar {K}}^{0}\,(s{\bar {d}})}$ в слабых взаимодействиях, как показали в 1955 году М. Гелл-Манн и А. Пайс, ведут себя как симметричная или антисимметричная комбинации, каждой из которых соответствует своя частица: короткоживущий нейтральный каон ${\displaystyle K_{S}^{0}={\begin{matrix}{{\sqrt {2}} \over 2}\end{matrix}}(K^{0}-{\bar {K}}^{0})}$ с PC = +1, обычно распадающийся на два пиона (π⁰π⁰ или π⁺π⁻), и долгоживущий нейтральный каон ${\displaystyle K_{L}^{0}={\begin{matrix}{{\sqrt {2}} \over 2}\end{matrix}}(K^{0}+{\bar {K}}^{0})}$ с PC = -1, обычно распадающийся либо на три пиона, либо на пион, электрон (или мюон) и нейтрино^[11].

Таблица некоторых мезонов

Различные типы мезонов (не полностью)

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

См. также

• Элементарные частицы
• Кварковая модель