Līdz 20. gadsimta vidum fizikā parādījās jēdziens “daļiņu zoodārzs”, kas nozīmē dažādas elementāras matērijas sastāvdaļas, ar kurām zinātnieki saskārās pēc pietiekami spēcīgu paātrinātāju radīšanas. Viens no daudzskaitlīgākajiem "zooloģiskā dārza" iemītniekiem bija objekti, kurus sauca par mezoniem. Šī daļiņu saime kopā ar barioniem ir iekļauta lielajā hadronu grupā. Viņu pētījums ļāva iekļūt matērijas struktūras dziļākā līmenī un veicināja zināšanu par to iekļaušanu mūsdienu fundamentālo daļiņu un mijiedarbības teorijā - standarta modelī.
Atklājumu vēsture
30. gadu sākumā pēc atoma kodola sastāva noskaidrošanas radās jautājums par to spēku būtību, kas nodrošināja tā pastāvēšanu. Bija skaidrs, ka mijiedarbībai, kas saista nukleonus, jābūt ārkārtīgi intensīvai un jāveic, apmainoties ar dažām daļiņām. Japāņu teorētiķa H. Jukavas 1934. gadā veiktie aprēķini parādīja, ka šie objekti pēc masas ir 200–300 reižu lielāki par elektronu un,attiecīgi vairākas reizes zemāks par protonu. Vēlāk viņi saņēma mezonu nosaukumu, kas grieķu valodā nozīmē "vidējais". Tomēr viņu pirmā tiešā atklāšana izrādījās "izdegšanās", kas radās ļoti dažādu daļiņu masu tuvuma dēļ.
1936. gadā kosmiskajos staros tika atklāti objekti (tos sauca par mu-mezoniem), kuru masa atbilst Jukavas aprēķiniem. Šķita, ka meklētais kodolspēku kvants ir atrasts. Bet tad izrādījās, ka mu-mezoni ir daļiņas, kas nav saistītas ar apmaiņas mijiedarbību starp nukleoniem. Tie kopā ar elektronu un neitrīno pieder citai mikrokosmosa objektu klasei – leptoniem. Daļiņas tika pārdēvētas par mioniem, un meklēšana turpinājās.
Yukawa kvanti tika atklāti tikai 1947. gadā un tika saukti par "pi-mesoniem" vai pioniem. Izrādījās, ka elektriski lādēts vai neitrāls pi-mezons patiešām ir daļiņa, kuras apmaiņa ļauj nukleoniem līdzāspastāvēt kodolā.
Mezona struktūra
Gandrīz uzreiz kļuva skaidrs: peonijas “daļiņu zoodārzā” ieradās nevis vienas, bet ar daudziem radiniekiem. Tomēr šo daļiņu skaita un daudzveidības dēļ bija iespējams konstatēt, ka tās ir neliela skaita fundamentālu objektu kombinācijas. Kvarki izrādījās tādi strukturālie elementi.
Mezons ir kvarka un antikvarka saistītais stāvoklis (savienojums tiek veikts ar spēcīgas mijiedarbības kvantu - gluonu palīdzību). Kvarka "spēcīgais" lādiņš ir kvantu skaitlis, ko parasti sauc par "krāsu". Tomēr visi hadroniun mezoni starp tiem ir bezkrāsaini. Ko tas nozīmē? Mezonu var veidot dažāda veida kvarks un antikvarks (vai, kā saka, garšas, “garšas”), taču tajā vienmēr ir apvienota krāsa un pretkrāsa. Piemēram, π+-mezonu veido pāris u-kvarks - anti-d-kvarks (ud̄), un to krāsu lādiņu kombinācija var būt "zils - anti- zils", "sarkans - anti-sarkans" vai zaļš-anti-zaļš. Gluonu apmaiņa maina kvarku krāsu, bet mezons paliek bezkrāsains.
Vecāko paaudžu kvarki, piemēram, s, c un b, piešķir atbilstošās garšas to veidotajiem mezoniem - dīvainību, šarmu un šarmu, ko izsaka viņu pašu kvantu skaitļi. Veselu mezona elektrisko lādiņu veido to veidojošo daļiņu un antidaļiņu frakcionēti lādiņi. Papildus šim pārim, ko sauc par valences kvarkiem, mezons ietver daudzus ("jūras") virtuālos pārus un gluonus.
Mezoni un pamatspēki
Mezoni, pareizāk sakot, kvarki, kas tos veido, piedalās visu veidu mijiedarbībās, kuras apraksta Standarta modelis. Mijiedarbības intensitāte ir tieši saistīta ar tās izraisīto reakciju simetriju, tas ir, ar noteiktu daudzumu saglabāšanos.
Vājie procesi ir vismazāk intensīvi, tie ietaupa enerģiju, elektrisko lādiņu, impulsu, leņķisko impulsu (griešanos) – citiem vārdiem sakot, darbojas tikai universālas simetrijas. Elektromagnētiskajā mijiedarbībā tiek saglabāts arī mezonu paritātes un garšas kvantu skaits. Šie ir procesi, kuriem ir svarīga loma reakcijāspagrimums.
Spēcīgā mijiedarbība ir vissimetriskākā, saglabājot citus daudzumus, jo īpaši izospinu. Tas ir atbildīgs par nukleonu aizturi kodolā, izmantojot jonu apmaiņu. Izstarojot un absorbējot lādētus pi-mezonus, protons un neitrons veic savstarpējas transformācijas, un neitrālas daļiņas apmaiņas laikā katrs no nukleoniem paliek pats par sevi. Kā to var attēlot kvarku līmenī, ir parādīts zemāk esošajā attēlā.
Spēcīgā mijiedarbība regulē arī mezonu izkliedi ar nukleoniem, to veidošanos hadronu sadursmēs un citos procesos.
Kas ir kvarkonijs
Kvarka un vienādas garšas antikvarka kombināciju sauc par kvarkoniju. Šo terminu parasti lieto mezoniem, kas satur masīvus c- un b-kvarkus. Ārkārtīgi smagajam t-kvarkam vispār nav laika nonākt saistītā stāvoklī, acumirklī sadaloties vieglākos. Kombināciju cc̄ sauc par šarmoniju jeb daļiņu ar slēptu šarmu (J/ψ-mezon); kombinācija bb̄ ir bottomonijs, kuram piemīt apslēpts šarms (Υ-mezons). Abiem ir raksturīgi daudzi rezonanses - satraukti - stāvokļi.
Daļiņas, ko veido vieglas sastāvdaļas - uū, dd̄ vai ss̄ - ir garšu superpozīcija (superpozīcija), jo šo kvarku masas ir tuvas vērtības. Tādējādi neitrālais π0-mezons ir stāvokļu uū un dd̄ superpozīcija, kuriem ir vienāda kvantu skaitļu kopa.
Mezona nestabilitāte
Daļiņu un pretdaļiņu kombinācija radaka jebkura mezona dzīve beidzas ar viņu iznīcināšanu. Kalpošanas laiks ir atkarīgs no tā, kura mijiedarbība kontrolē samazināšanos.
- Mezoni, kas sadalās pa "spēcīgās" iznīcināšanas kanālu, teiksim, gluonos ar sekojošu jaunu mezonu dzimšanu, nedzīvo ļoti ilgi - 10-20 - 10 - 21 lpp. Šādu daļiņu piemērs ir kvarkonija.
- Elektromagnētiskā iznīcināšana ir arī diezgan intensīva: π0-mezona, kura kvarka-antikvarka pāris anihilējas divos fotonos ar gandrīz 99% varbūtību, kalpošanas laiks ir aptuveni 8 ∙ 10 -17 s.
- Vāja iznīcināšana (sabrukšana leptonos) notiek ar daudz mazāku intensitāti. Tādējādi uzlādēts pions (π+ – ud̄ – vai π- – dū) dzīvo diezgan ilgi – vidēji 2,6 ∙ 10-8 s un parasti sadalās par mionu un neitrīno (vai atbilstošām antidaļiņām).
Lielākā daļa mezonu ir tā sauktās hadronu rezonanses, īslaicīgas (10-22 – 10-24 c) parādības, kas rodas noteiktos augstas enerģijas diapazonos, līdzīgi kā atoma ierosinātie stāvokļi. Tie netiek reģistrēti detektoros, bet tiek aprēķināti, pamatojoties uz reakcijas enerģijas bilanci.
Pagrieziens, orbitālais impulss un paritāte
Atšķirībā no barioniem mezoni ir elementārdaļiņas ar griešanās skaitļa veselu skaitli (0 vai 1), tas ir, tie ir bozoni. Kvarki ir fermioni, un tiem ir pusvesela skaitļa griešanās ½. Ja kvarka un antikvarka impulsa momenti ir paralēli, tad viņusumma - mezona spins - ir vienāda ar 1, ja antiparalēli, tā būs vienāda ar nulli.
Pateicoties komponenšu pāra savstarpējai cirkulācijai, mezonam ir arī orbitālais kvantu skaitlis, kas veicina tā masu. Orbitālais impulss un spins nosaka daļiņas kopējo leņķisko impulsu, kas saistīts ar telpiskās jeb P-paritātes jēdzienu (noteiktu viļņu funkcijas simetriju attiecībā pret spoguļa inversiju). Saskaņā ar spin S un iekšējās (attiecas uz pašas daļiņas atskaites sistēmu) P-paritātes kombināciju izšķir šādus mezonu veidus:
- pseidoskalārs - vieglākais (S=0, P=-1);
- vektors (S=1, P=-1);
- skalārs (S=0, P=1);
- pseidovektors (S=1, P=1).
Pēdējie trīs veidi ir ļoti masīvi mezoni, kas ir augstas enerģijas stāvokļi.
Izotopu un unitāras simetrijas
Mezonu klasifikācijai ir ērti izmantot īpašu kvantu skaitli - izotopu spinu. Spēcīgos procesos daļiņas ar vienādu izospina vērtību piedalās simetriski neatkarīgi no to elektriskā lādiņa un var tikt attēlotas kā viena objekta dažādi lādiņa stāvokļi (izospina projekcijas). Šādu daļiņu kopumu, kas pēc masas ir ļoti tuvu, sauc par izomultipletu. Piemēram, piona izotriplets ietver trīs stāvokļus: π+, π0 un π--mezons..
Izospina vērtību aprēķina pēc formulas I=(N–1)/2, kur N ir daļiņu skaits multipletā. Tādējādi piona izospins ir vienāds ar 1, un tā projekcijas Iz īpašā lādiņāatstarpes ir attiecīgi +1, 0 un -1. Četri dīvaini mezoni - kaoni - veido divus izodubletus: K+ un K0 ar izospinu +½ un dīvainību +1 un antidaļiņu dubletu K.- un K̄0, kurām šīs vērtības ir negatīvas.
Hadronu (tostarp mezonu) elektriskais lādiņš Q ir saistīts ar izospina projekciju Iz un tā saukto hiperlādiņu Y (bariona skaitļa un visas garšas summa cipari). Šīs attiecības izsaka ar Nishijima-Gell-Mann formulu: Q=Iz + Y/2. Ir skaidrs, ka visiem viena multipleta dalībniekiem ir vienāda hiperlāde. Mezonu barionu skaits ir nulle.
Pēc tam mezoni tiek grupēti ar papildu griešanos un paritāti supermultipletos. Astoņi pseidoskalāri mezoni veido oktetu, vektordaļiņas veido nonetu (deviņi) utt. Tā ir augstāka līmeņa simetrijas izpausme, ko sauc par vienotu.
Mesons un jaunas fizikas meklēšana
Šobrīd fiziķi aktīvi meklē parādības, kuru aprakstīšana novestu pie Standarta modeļa paplašināšanas un iziešanas no tā, veidojot dziļāku un vispārīgāku mikropasaules teoriju - Jauno fiziku. Tiek pieņemts, ka standarta modelis to ievadīs kā ierobežojošu, zemas enerģijas patēriņa gadījumu. Šajos meklējumos svarīga loma ir mezonu izpētei.
Īpašu interesi rada eksotiskie mezoni – daļiņas ar struktūru, kas neietilpst ierastā modeļa ietvaros. Tātad, pie Lielā hadronaCollider 2014. gadā apstiprināja Z(4430) tetrakvarku, divu ud̄cc̄ kvarka-antikvarka pāru saistītu stāvokli, skaistā B mezona sabrukšanas starpproduktu. Šie sabrukumi ir interesanti arī saistībā ar iespējamu hipotētiskas jaunas daļiņu klases - leptokvarku - atklāšanu.
Modeļi paredz arī citus eksotiskus stāvokļus, kas klasificējami kā mezoni, jo tie piedalās spēcīgos procesos, bet tiem ir nulle barionskaitlis, piemēram, glueballs, ko veido tikai gluoni bez kvarkiem. Visi šādi objekti var būtiski papildināt mūsu zināšanas par fundamentālo mijiedarbību būtību un dot ieguldījumu tālākā mikropasaules fizikas attīstībā.
