Мезон

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

Мезон (от греч. μέσος — средний) — это сильно взаимодействующий бозон, или же, что то же самое, адрон с целым спином. В стандартной модели, мезоны — это составные (не-элементарные) частицы, состоящие из четного числа кварков и антикварков. 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. 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. Большая часть массы мезона происходит из энергии связи, а не из суммы масс составляющих его частиц. Все мезоны нестабильны.

Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, переносящие силы, которые связывают протоны и нейтроны. Первым обнаруженным мезоном был мюон, который был причислен к мезонам из-за его подходящей массы и который был назван «мю-мезон». Однако впоследствии обнаружилось, что он не подвержен сильному взаимодействию и является лептоном. Пион был первым экспериментально открытым настоящим мезоном. (Сегодняшняя картина внутриядерных сил довольно сложна, для детального ознакомления с ролью мезонов см. современное состояние теории сильных взаимодействий.)

Х. Юкава был награжден нобелевской премией по физике за предсказание существования мезонов.

Номенклатура мезонов[править]

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[править]

Мезоны без аромата это такие мезоны, чьи все квантовые числа ароматов 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 четность P и зарядово-сопряженную четность C мезона:

P = (−1)L+1
C = (−1)L+S

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

Возможные комбинации и соответствующие обоначения 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’

\(\phi\,\!\), 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+ etc.
Второй ряд содержит пары частиц: φ предполагается состоянием \(s\bar s\), и 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
** Символом состояния боттониум является заглавная upsilon (в зависимости от броузера может отображаться как заглавная Y)

Нормальные спин-четные 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 JP = 0 известны как псевдоскаляры, а мезоны с JP = 1 называются векторами. Для остальных частиц число J добавляется в виде нижнего индекса: a0, a1, χc1, и т. д.
  • Для большинства из ψ, Υ и χ состояний обычно добавляют 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: χb2(1P). Если спектроскопическая информация недоступна, то вместо нее используется масса: Υ(9460)
  • Схема обозначений не различает между «чистыми» кварковыми состояниями и состояниями глюония. Поэтому глюониевые состояния используют такую же схему обозначений.
  • Экзотические мезоны с «запрещенным» набором квантовых чисел JPC = 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +… используют те же обозначения что и мезоны с идентичными числами JP, за исключением добавки нижнего индекса J. Мезоны с изоспином 0 и JPC = 1− + обозначаются как ω1. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как X с указанием массы в скобках.

Мезоны с ароматом[править]

Для мезонов с ароматом схема названий немного проще.

1. Имя дает мезону тяжелейший из двух кварков. Порядок от тяжелого 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 положительные 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-четной последовательности, то есть JP = 0+, 1, 2+…, то добавляется верхний индекс «*»

4. Для мезонов, иных чем псевдоскаляры (0) и векторы (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[править]

Различные типы мезонов (не полностью)
Частица Обозначение Анти-
частица
Состав Масса покоя
МэВ/c2
S C B время жизни
с
Пион π+ π- \(\mathrm{u \bar{d}}\) 139.6 0 0 0 2.60×10-8
Пион π0 Self \(\mathrm{\frac{u\bar{u} + d \bar{d}}{\sqrt{2}}}\) 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
Каон \(\mathrm{K_S^0}\) \(\mathrm{K_S^0}\) \(\mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}}\) 497.7 +1 0 0 0.89×10-10
Каон \(\mathrm{K_L^0}\) \(\mathrm{K_L^0}\) \(\mathrm{\frac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}}\) 497.7 +1 0 0 5.2×10-8
Эта η0 Self \(\mathrm{\frac{u\bar{u} + d\bar{d} - 2s\bar{s}}{\sqrt{6}}}\) 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 Self \(\mathrm{s\bar{s}}\) 1019 0 0 0 16×10-23
D D+ D- \(\mathrm{c\bar{d}}\) 1869 0 +1 0 10.6×10-13
D D0 \(\mathrm{\bar{D^0}}\) \(\mathrm{c\bar{u}}\) 1865 0 +1 0 4.1×10-13
D \(\mathrm{D_S^+}\) \(\mathrm{D_S^-}\) \(\mathrm{c\bar{s}}\) 1968 +1 +1 0 4.9×10-13
J/Psi J/ψ Self \(\mathrm{c\bar{c}}\) 3096.9 0 0 0 7.2×10-21
B B- B+ \(\mathrm{b\bar{u}}\) 5279 0 0 −1 1.7×10-12
B B0 \(\mathrm{\bar{B^0}}\) \(\mathrm{d\bar{b}}\) 5279 0 0 −1 1.5×10-12
Upsilon Υ Self \(\mathrm{b\bar{b}}\) 9460 0 0 0 1.3×10-20

См. также[править]

Ссылки[править]