Мезон

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 Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle \mathrm{u \bar{u}}} , ни парой Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle \mathrm{d \bar{d}}} кварков, а представляет собой суперпозицию обоих: Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\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 (0^-), векторные (1^-), скалярные (0⁺), псевдовекторные (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 Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle \mathrm{c}} Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle \mathrm{\bar{c}}} Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle \mathrm{d}} Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle \mathrm{\bar{u}}} и относится к типу псевдовекторных мезонов^[9].

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 — 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:

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 Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle s\bar s} , а ω — состоянием Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\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.

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.

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:

† J опущен для 0⁻ and 1⁻.

Иногда частицы могут смешиваться. Например, нейтральный каон Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle K^0\,(\bar sd)} и его античастица Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\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 Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle K^0_S = \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 Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://restbase-svc.restbase.svc.production22.local:7231/ru-mediawiki.ruwiki.svc.production22.local/v1/»:): {\displaystyle K^0_L = \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].