Мезо́н (от др.-греч. μέσος ‘средний’) — адрон , 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.

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 .

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.) .

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: ${\displaystyle ({\mathrm {u{\bar {u}}} }-{\mathrm {d{\bar {d}}} })\,/\,{\sqrt {2}}}$ .

В зависимости от комбинации значений J и чётности P (обозначается J ^P ) различают ( 0 ^- ), векторные ( 1 ^- ), ( 0 ⁺ ), ( 1 ⁺ ) и другие мезоны . 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 , была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb . 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 .

Номенклатура мезонов

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 J , который может принимать значения от | L − S | до L + S с шагом единица. Возможные комбинации описываются при помощи символа ( терма ) ^{2 S +1} L _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:

	J PC =	(0, 2…) − +	(1, 3…) + −	(1,2…) − −	(0, 1…) + +
Кварковый состав	2 S +1 L J =	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	η c	h c	ψ	χ c
${\displaystyle b{\bar {b}}}$	I = 0	η b	h b	Υ	χ b

Примечания:

^* Некоторые комбинации запрещены: 0 ^{− −} , 0 ^{+ −} , 1 ^{− +} , 2 ^{+ −} , 3 ^{− +} …

^† Первый ряд образует изоспиновые триплеты: π ⁻ , π ⁰ , 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, 1³ S ₁ 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: a ₀ , a ₁ , χ _{c 1} и т. д.
• Для большинства ψ , Υ и χ состояний обычно добавляют к обозначению спектроскопическую информацию: Υ(1 S ) , Υ(2 S ) . 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 _{b 2} (1 P ) . 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 η ₁ . 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 I ₃ и заряд, а кварк d имеет отрицательные I ₃ 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 J .

Подводя итог, получим:

Кварковый состав	Изоспин	J P = 0 − , 1 + , 2 − …	J P = 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 ( π ⁰ π ⁰ 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 .

Таблица некоторых мезонов

Различные типы мезонов (не полностью)

Частица	Обозначение	Античастица	Состав	Масса , М эВ / c ²	S	C	B	время жизни , с
Пион	π +	π −	${\displaystyle \mathrm {u{\bar {d}}} }$	139,6	0	0	0	2,60⋅10 −8
	π 0		${\displaystyle \mathrm {\frac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$	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	η 0		${\displaystyle \mathrm {\frac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}-2s{\bar {s}}}{\sqrt {6}}} }$	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
	D 0	${\displaystyle \mathrm {{\bar {D}}^{0}} }$	${\displaystyle \mathrm {c{\bar {u}}} }$	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
	B 0	${\displaystyle \mathrm {{\bar {B}}^{0}} }$	${\displaystyle \mathrm {d{\bar {b}}} }$	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

Примечания

Литература

• Бояркин О. М. . Введение в физику элементарных частиц. 2-е изд. — М. : КомКнига, 2006. — 264 с. — ISBN 978-5-484-00375-4 .
• Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. — Cambridge University Press , 2002. — 415 p. — ISBN 9780511037276 .

Ссылки

• Информация о частицах от Группы по свойствам частиц
• .
• .