Nga mesi i shekullit të 20-të, koncepti i "kopshtit zoologjik të grimcave" u shfaq në fizikë, që do të thotë një shumëllojshmëri përbërësish elementare të materies, të cilat shkencëtarët i hasën pasi u krijuan përshpejtues mjaft të fuqishëm. Një nga banorët më të shumtë të "kopshtit zoologjik" ishin objektet e quajtura mesone. Kjo familje e grimcave, së bashku me barionet, përfshihet në grupin e madh të hadroneve. Studimi i tyre bëri të mundur depërtimin në një nivel më të thellë të strukturës së materies dhe kontribuoi në renditjen e njohurive rreth saj në teorinë moderne të grimcave themelore dhe ndërveprimeve - Modeli Standard.
Historia e zbulimit
Në fillim të viteve 1930, pasi u sqarua përbërja e bërthamës atomike, lindi pyetja për natyrën e forcave që siguruan ekzistencën e saj. Ishte e qartë se ndërveprimi që lidh nukleonet duhet të jetë jashtëzakonisht intensiv dhe të kryhet përmes shkëmbimit të grimcave të caktuara. Llogaritjet e kryera në vitin 1934 nga teoricieni japonez H. Yukawa treguan se këto objekte janë 200-300 herë më të mëdha se elektroni në masë dhe,respektivisht disa herë inferior ndaj protonit. Më vonë ata morën emrin e mesoneve, që në greqisht do të thotë "mes". Megjithatë, zbulimi i tyre i parë i drejtpërdrejtë rezultoi të ishte një "shkarkim" për shkak të afërsisë së masave të grimcave shumë të ndryshme.
Në vitin 1936, objektet (ato quheshin mu-mesone) me një masë që korrespondonte me llogaritjet e Yukawa u zbuluan në rrezet kozmike. Dukej se sasia e kërkuar e forcave bërthamore ishte gjetur. Por më pas doli se mu-mesonët janë grimca që nuk lidhen me ndërveprimet e shkëmbimit midis nukleoneve. Ata, së bashku me elektronin dhe neutrinon, i përkasin një klase tjetër të objekteve në mikrokozmos - leptoneve. Grimcat u riemëruan muone dhe kërkimi vazhdoi.
Kuantat Yukawa u zbuluan vetëm në vitin 1947 dhe u quajtën "pi-mesone", ose pione. Doli se një pi-mezon i ngarkuar elektrikisht ose neutral është me të vërtetë grimca, shkëmbimi i së cilës lejon që nukleonet të bashkëjetojnë në bërthamë.
Struktura e mesonit
U bë e qartë pothuajse menjëherë: bozhuret erdhën në "kopshtin zoologjik të grimcave" jo vetëm, por me të afërm të shumtë. Sidoqoftë, ishte për shkak të numrit dhe shumëllojshmërisë së këtyre grimcave që u arrit të vërtetohej se ato janë kombinime të një numri të vogël objektesh themelore. Kuarkët doli të ishin elementë të tillë strukturorë.
Meson është një gjendje e lidhur e një kuarku dhe një antikuark (lidhja kryhet me anë të kuanteve të ndërveprimit të fortë - gluoneve). Ngarkesa "e fortë" e një kuarku është një numër kuantik, i quajtur në mënyrë konvencionale "ngjyrë". Megjithatë, të gjithë hadronetdhe mesonet midis tyre, janë të pangjyrë. Çfarë do të thotë? Një meson mund të formohet nga një kuark dhe një antikuark i llojeve të ndryshme (ose, siç thonë ata, shije, "aromë"), por gjithmonë kombinon ngjyrën dhe antingjyrën. Për shembull, π+-mezon formohet nga një palë u-kuark - anti-d-kuark (ud̄), dhe kombinimi i ngarkesave të tyre me ngjyra mund të jetë "blu - anti- blu", "e kuqe - anti-kuqe" ose jeshile-anti-jeshile. Shkëmbimi i gluoneve ndryshon ngjyrën e kuarkeve, ndërsa mezoni mbetet i pangjyrë.
Kuarkët e brezave të vjetër, si s, c dhe b, u japin shijet përkatëse mezoneve që formojnë - çuditshmërinë, sharmin dhe sharmin, të shprehura nga numrat e tyre kuantikë. Ngarkesa elektrike me numër të plotë të mezonit përbëhet nga ngarkesat fraksionale të grimcave dhe antigrimcave që e formojnë atë. Përveç këtij çifti, të quajtur kuarkë të valencës, mezon përfshin shumë çifte virtuale ("detare") dhe gluone.
Mezonet dhe forcat themelore
Mesonët, ose më mirë, kuarkët që i përbëjnë ato, marrin pjesë në të gjitha llojet e ndërveprimeve të përshkruara nga Modeli Standard. Intensiteti i bashkëveprimit lidhet drejtpërdrejt me simetrinë e reaksioneve të shkaktuara prej tij, pra me ruajtjen e sasive të caktuara.
Proceset e dobëta janë më pak intensivet, ato ruajnë energjinë, ngarkesën elektrike, momentin, momentin këndor (spin) - me fjalë të tjera, veprojnë vetëm simetritë universale. Në bashkëveprimin elektromagnetik, numrat kuantikë të barazisë dhe shijes së mezoneve ruhen gjithashtu. Këto janë proceset që luajnë një rol të rëndësishëm në reagimetprishje.
Ndërveprimi i fortë është më simetriku, duke ruajtur sasi të tjera, në veçanti, isospin. Ai është përgjegjës për mbajtjen e nukleoneve në bërthamë përmes shkëmbimit të joneve. Duke emetuar dhe thithur pi-mezone të ngarkuara, protoni dhe neutroni pësojnë transformime të ndërsjella, dhe gjatë shkëmbimit të një grimce neutrale, secili nga nukleonet mbetet vetë. Se si kjo mund të përfaqësohet në nivelin e kuarkeve është treguar në figurën më poshtë.
Ndërveprimi i fortë rregullon gjithashtu shpërndarjen e mezoneve nga nukleonet, prodhimin e tyre në përplasjet e hadronit dhe procese të tjera.
Çfarë është kuarkonium
Kombinimi i një kuarku dhe një antikuarku me të njëjtën shije quhet kuarkonia. Ky term zakonisht zbatohet për mezonet që përmbajnë kuarke masive c- dhe b. Një t-kuark jashtëzakonisht i rëndë nuk ka kohë të hyjë fare në një gjendje të kufizuar, duke u zbërthyer menjëherë në ato më të lehta. Kombinimi cc̄ quhet charmonium, ose një grimcë me hijeshi të fshehur (J/ψ-meson); kombinimi bb̄ është fundoni, i cili ka një hijeshi të fshehur (Υ-mezon). Të dyja karakterizohen nga prania e shumë gjendjeve rezonante - të ngacmuara.
Grimcat e formuara nga komponentët e dritës - uū, dd̄ ose ss̄ - janë një mbivendosje (mbivendosje) e shijeve, pasi masat e këtyre kuarkëve janë të afërt në vlerë. Kështu, mezoni neutral π0 është një mbivendosje e gjendjeve uū dhe dd̄, të cilat kanë të njëjtin grup numrash kuantikë.
Paqëndrueshmëria e mesonit
Kombinimi i grimcave dhe antigrimcave rezulton nëse jeta e çdo mesoni përfundon në asgjësimin e tyre. Jetëgjatësia varet nga cili ndërveprim kontrollon prishjen.
- Mezonët që kalbet përmes kanalit të asgjësimit "të fortë", të themi, në gluone me lindjen e mëvonshme të mezonëve të rinj, nuk jetojnë shumë - 10-20 - 10 - 21 f. Një shembull i grimcave të tilla është kuarkonia.
- Agjësimi elektromagnetik është gjithashtu mjaft intensiv: jetëgjatësia e mezonit π0, çifti kuark-antikuark asgjësohet në dy fotone me një probabilitet prej gati 99%, është rreth 8 ∙ 10 -17 s.
- Agjësimi i dobët (zbërthimi në lepton) vazhdon me shumë më pak intensitet. Kështu, një pion i ngarkuar (π+ – ud̄ – ose π- – dū) jeton mjaft gjatë – mesatarisht 2,6 ∙ 10-8 s dhe zakonisht zbërthehet në një muon dhe një neutrino (ose antigrimcat përkatëse).
Shumica e mezoneve janë të ashtuquajturat rezonanca hadronike, jetëshkurtër (10-22 – 10-24 c) dukuri që ndodhin në vargje të caktuara të energjisë së lartë, të ngjashme me gjendjet e ngacmuara të atomit. Ato nuk regjistrohen në detektorë, por llogariten në bazë të bilancit energjetik të reaksionit.
Spin, momenti orbital dhe pariteti
Ndryshe nga barionet, mezonet janë grimca elementare me një vlerë të plotë të numrit spin (0 ose 1), domethënë ato janë bozone. Kuarkët janë fermione dhe kanë rrotullim gjysmë të plotë ½. Nëse momentet e momentit të një kuarku dhe një antikuark janë paralele, atëherë të tyreshuma - spin mezon - është e barabartë me 1, nëse është antiparalele, do të jetë e barabartë me zero.
Për shkak të qarkullimit të ndërsjellë të një çifti përbërësish, mezoni ka gjithashtu një numër kuantik orbital, i cili kontribuon në masën e tij. Momenti orbital dhe rrotullimi përcaktojnë momentin e përgjithshëm këndor të grimcës, i lidhur me konceptin e barazisë hapësinore ose P (një simetri e caktuar e funksionit të valës në lidhje me përmbysjen e pasqyrës). Në përputhje me kombinimin e spin S dhe paritetit të brendshëm (në lidhje me kornizën e referencës së grimcës) P-pariteti, dallohen llojet e mëposhtme të mezoneve:
- pseudoskalar - më e lehta (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Tre llojet e fundit janë mezone shumë masive, të cilat janë gjendje me energji të lartë.
Simetri izotopike dhe unitare
Për klasifikimin e mezoneve është i përshtatshëm të përdoret një numër i veçantë kuantik - spin izotopik. Në proceset e forta, grimcat me të njëjtën vlerë izospine marrin pjesë në mënyrë simetrike, pavarësisht nga ngarkesa e tyre elektrike, dhe mund të përfaqësohen si gjendje të ndryshme ngarkese (projeksione isospine) të një objekti. Një grup grimcash të tilla, të cilat janë shumë afër në masë, quhet izomultiple. Për shembull, izotripleti i pionit përfshin tre gjendje: π+, π0 dhe π--mezon.
Vlera e isospinit llogaritet me formulën I=(N–1)/2, ku N është numri i grimcave në shumëfish. Kështu, izospini i një pioni është i barabartë me 1, dhe projeksionet e tij Iz në një ngarkesë të veçantëhapësira janë përkatësisht +1, 0 dhe -1. Katër mezonet e çuditshme - kaonet - formojnë dy izodybleta: K+ dhe K0 me isospin +½ dhe çuditshmëri +1 dhe dyfishin e antigrimcave K- dhe K̄0, për të cilat këto vlera janë negative.
Ngarkesa elektrike e hadroneve (përfshirë mezonet) Q lidhet me projeksionin e izospinit Iz dhe të ashtuquajturën hiperngarkesa Y (shuma e numrit të barionit dhe gjithë aromës numrat). Kjo marrëdhënie shprehet me formulën Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Është e qartë se të gjithë anëtarët e një multipleti kanë të njëjtën hiperngarkesë. Numri i barionit të mezoneve është zero.
Më pas, mezonet grupohen me spin dhe barazi shtesë në supershumë. Tetë mezone pseudoskalare formojnë një oktet, grimcat vektoriale formojnë një nonet (nëntë) dhe kështu me radhë. Ky është një manifestim i një simetrie të nivelit më të lartë të quajtur unitare.
Mezonet dhe kërkimi për Fizikën e Re
Aktualisht, fizikanët po kërkojnë në mënyrë aktive për fenomene, përshkrimi i të cilave do të çonte në zgjerimin e Modelit Standard dhe në tejkalimin e tij me ndërtimin e një teorie më të thellë dhe më të përgjithshme të mikrobotës - Fizika e Re. Supozohet se Modeli Standard do të hyjë në të si një rast kufizues, me energji të ulët. Në këtë kërkim, studimi i mesoneve luan një rol të rëndësishëm.
Me interes të veçantë janë mezonet ekzotike - grimcat me një strukturë që nuk përshtatet në kornizën e modelit të zakonshëm. Pra, në Hadronin e MadhCollider në vitin 2014 konfirmoi tetrakuarkun Z(4430), një gjendje e lidhur prej dy çiftesh ud̄cc̄ kuark-antikuarku, një produkt i ndërmjetëm zbërthimi i mesonit të bukur B. Këto zbërthime janë gjithashtu interesante për sa i përket zbulimit të mundshëm të një klase të re hipotetike grimcash - leptokuarke.
Modelet parashikojnë gjithashtu gjendje të tjera ekzotike që duhet të klasifikohen si mezone, pasi ato marrin pjesë në procese të forta, por kanë numër barion zero, si p.sh. topat ngjitës, të formuar vetëm nga gluonët pa kuarkë. Të gjitha objektet e tilla mund të plotësojnë ndjeshëm njohuritë tona për natyrën e ndërveprimeve themelore dhe të kontribuojnë në zhvillimin e mëtejshëm të fizikës së mikrobotës.
