ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 แนวความคิดของ "สวนสัตว์อนุภาค" ปรากฏในฟิสิกส์ ซึ่งหมายถึงองค์ประกอบพื้นฐานของสสารที่หลากหลาย ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พบหลังจากสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังเพียงพอ หนึ่งในผู้อยู่อาศัยจำนวนมากที่สุดของ "สวนสัตว์" คือวัตถุที่เรียกว่ามีซอน อนุภาคในตระกูลนี้ พร้อมด้วยแบริออน รวมอยู่ในกลุ่มแฮดรอนกลุ่มใหญ่ การศึกษาของพวกเขาทำให้สามารถเจาะลึกโครงสร้างของสสารได้ในระดับที่ลึกกว่า และมีส่วนในการจัดระเบียบความรู้เกี่ยวกับมันในทฤษฎีสมัยใหม่ของอนุภาคพื้นฐานและปฏิสัมพันธ์ - โมเดลมาตรฐาน
ประวัติการค้นพบ
ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1930 หลังจากที่องค์ประกอบของนิวเคลียสอะตอมได้รับการชี้แจงแล้ว คำถามก็เกิดขึ้นเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงที่ทำให้แน่ใจได้ว่ามีอยู่ เป็นที่ชัดเจนว่าปฏิสัมพันธ์ที่ผูกนิวคลีออนจะต้องรุนแรงมากและดำเนินการผ่านการแลกเปลี่ยนอนุภาคบางอย่าง การคำนวณดำเนินการในปี 1934 โดยนักทฤษฎีชาวญี่ปุ่น เอช. ยูกาวะ แสดงให้เห็นว่าวัตถุเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนในมวล 200–300 เท่า และน้อยกว่าโปรตอนหลายเท่าตามลำดับ ต่อมาพวกเขาได้รับชื่อ mesons ซึ่งในภาษากรีกแปลว่า "กลาง" อย่างไรก็ตาม การตรวจจับโดยตรงครั้งแรกของพวกเขากลับกลายเป็น "การยิงผิดพลาด" เนื่องจากอยู่ใกล้กับมวลของอนุภาคที่แตกต่างกันมาก
ในปี 1936 วัตถุ (ถูกเรียกว่ามูเมซอน) ที่มีมวลที่สอดคล้องกับการคำนวณของยูกาวะถูกค้นพบในรังสีคอสมิก ดูเหมือนว่ามีการค้นพบควอนตัมของกองกำลังนิวเคลียร์ที่ต้องการ แต่แล้วกลับกลายเป็นว่ามิว-เมซอนเป็นอนุภาคที่ไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนระหว่างนิวคลีออน พวกมันร่วมกับอิเล็กตรอนและนิวตริโนเป็นของวัตถุอีกประเภทหนึ่งในพิภพเล็ก - เลปตอน อนุภาคถูกเปลี่ยนชื่อเป็นมิวออนและการค้นหายังคงดำเนินต่อไป
ควอนตั้มยูกาวะถูกค้นพบในปี 1947 เท่านั้นและถูกเรียกว่า "pi-mesons" หรือ pion ปรากฎว่า pi-meson ที่มีประจุไฟฟ้าหรือเป็นกลางนั้นเป็นอนุภาคที่มีการแลกเปลี่ยนกันทำให้นิวคลีออนสามารถอยู่ร่วมกันในนิวเคลียสได้
โครงสร้างเมซอน
มันชัดเจนในทันที: ดอกโบตั๋นมาที่ “สวนสัตว์แห่งอนุภาค” ไม่ใช่แค่คนเดียว แต่มีญาติพี่น้องมากมาย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากจำนวนและความหลากหลายของอนุภาคเหล่านี้จึงเป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นส่วนผสมของวัตถุพื้นฐานจำนวนน้อย ควาร์กกลายเป็นองค์ประกอบโครงสร้างดังกล่าว
Meson เป็นสถานะที่ถูกผูกไว้ของควาร์กและแอนติควาร์ก (การเชื่อมต่อจะดำเนินการโดยใช้ควอนตั้มของการโต้ตอบที่รุนแรง - กลูออน) ประจุ "แรง" ของควาร์กเป็นจำนวนควอนตัมตามอัตภาพเรียกว่า "สี" อย่างไรก็ตาม Hadrons ทั้งหมดและเมซอนในหมู่พวกมันนั้นไม่มีสี มันหมายความว่าอะไร? เมซอนสามารถเกิดขึ้นได้จากควาร์กและแอนติควาร์กประเภทต่างๆ (หรืออย่างที่พวกเขาพูดกันว่า รส, “รส”) แต่มันจะรวมสีและสารต่อต้านสีเข้าด้วยกันเสมอ ตัวอย่างเช่น π+-meson เกิดขึ้นจากคู่ของ u-quark - anti-d-quark (ud̄) และการรวมกันของสีของพวกมันอาจเป็น "สีน้ำเงิน - แอนตี้- สีน้ำเงิน", "แดง - แอนตี้-แดง" หรือ เขียว - แอนตี้-เขียว การแลกเปลี่ยนกลูออนจะเปลี่ยนสีของควาร์ก ในขณะที่มีซอนไม่มีสี
ควาร์กของคนรุ่นเก่า เช่น s, c และ b ให้รสชาติที่สอดคล้องกับ meson ที่พวกมันก่อตัวขึ้น - ความแปลก เสน่ห์ และเสน่ห์ แสดงออกด้วยตัวเลขควอนตัมของตัวเอง ประจุไฟฟ้าจำนวนเต็มของมีซอนประกอบด้วยประจุที่เป็นเศษส่วนของอนุภาคและปฏิปักษ์ที่ก่อตัวขึ้น นอกจากคู่นี้ที่เรียกว่าวาเลนซ์ควาร์กแล้ว เมซอนยังมีคู่เสมือน ("ทะเล") และกลูออนมากมาย
มวลและกองกำลังพื้นฐาน
Mesons หรือมากกว่านั้น ควาร์กที่ประกอบขึ้นเป็นพวกมัน มีส่วนร่วมในการโต้ตอบทุกประเภทที่อธิบายโดยโมเดลมาตรฐาน ความเข้มข้นของปฏิกิริยานั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับความสมมาตรของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น นั่นคือ การอนุรักษ์ปริมาณที่แน่นอน
กระบวนการที่อ่อนแอนั้นรุนแรงน้อยที่สุด พวกมันประหยัดพลังงาน ประจุไฟฟ้า โมเมนตัม โมเมนตัมเชิงมุม (สปิน) – กล่าวอีกนัยหนึ่ง มีเพียงสมมาตรสากลเท่านั้นที่ทำหน้าที่ ในการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้า หมายเลขควอนตัมพาริตีและรสชาติของมีซอนก็ถูกอนุรักษ์ไว้เช่นกัน เหล่านี้เป็นกระบวนการที่มีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาเน่าเปื่อย
ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนั้นมีความสมมาตรมากที่สุด โดยคงไว้ซึ่งปริมาณอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง isospin มีหน้าที่ในการกักเก็บนิวคลีออนในนิวเคลียสผ่านการแลกเปลี่ยนไอออน โดยการปล่อยและดูดซับไพ-เมซอนที่มีประจุ โปรตอนและนิวตรอนจะได้รับการเปลี่ยนแปลงร่วมกัน และระหว่างการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่เป็นกลาง นิวคลีออนแต่ละตัวจะยังคงอยู่ในตัวมันเอง วิธีการแสดงที่ระดับควาร์กแสดงในรูปด้านล่าง
ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงยังควบคุมการกระเจิงของมีซอนด้วยนิวคลีออน การผลิตของพวกมันในการชนกันของเฮดรอน และกระบวนการอื่นๆ
ควาร์โคเนียมคืออะไร
ควาร์กและแอนติควาร์กที่มีรสเดียวกันรวมกันเรียกว่าควาร์กเนีย คำนี้มักใช้กับมีซอนที่มีควาร์กและบีขนาดใหญ่ ที-ควาร์กที่หนักมากไม่มีเวลาเข้าสู่สภาวะที่ถูกผูกไว้เลย และจะสลายตัวเป็นทีควาร์กที่เบากว่าในทันที เรียกรวมกันว่า ชาร์โมเนียม หรืออนุภาคที่มีเสน่ห์ซ่อนเร้น (เจ/ψ-เมซอน) ส่วนผสมคือ บ็อตโทเนียม ซึ่งมีเสน่ห์ซ่อนเร้น (Υ-meson) ทั้งสองมีลักษณะการมีอยู่ของเสียงสะท้อนมากมาย - ตื่นเต้น - รัฐ
อนุภาคที่เกิดจากส่วนประกอบที่เบา - uū, dd̄ หรือ ss̄ - เป็นการซ้อน (ซ้อน) ของรสชาติ เนื่องจากมวลของควาร์กเหล่านี้มีค่าใกล้เคียงกัน ดังนั้น π0-meson ที่เป็นกลางจึงเป็นการทับซ้อนของรัฐ uū และ dd̄ ซึ่งมีชุดตัวเลขควอนตัมเหมือนกัน
เมซอนไม่เสถียร
ผลรวมของอนุภาคและปฏิปักษ์ในว่าชีวิตของ meson ใด ๆ สิ้นสุดลงในการทำลายล้างของพวกเขา อายุการใช้งานขึ้นอยู่กับการโต้ตอบที่ควบคุมการสลายตัว
- เมซอนที่ผุพังผ่านช่องทางของการทำลายล้างที่ "แข็งแกร่ง" พูด ให้กลายเป็นกลูออนที่มีการกำเนิดของเมซอนใหม่ในภายหลัง อย่าอยู่นานมาก - 10-20 - 10 - 21 น. ตัวอย่างของอนุภาคดังกล่าวคือควาร์โกเนีย
- การทำลายล้างด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังค่อนข้างรุนแรง: อายุการใช้งานของ π0-meson ซึ่งคู่ควาร์กกับแอนติควาร์กจะทำลายล้างเป็นสองโฟตอนด้วยความน่าจะเป็นเกือบ 99% เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 8 ∙ 10 -17 s.
- การทำลายล้างที่อ่อนแอ (สลายเป็นเลปตอน) ดำเนินไปด้วยความรุนแรงน้อยกว่ามาก ดังนั้น ไพออนที่มีประจุ (π+ – ud̄ – or π- – dū) มีอายุค่อนข้างนาน – โดยเฉลี่ย 2.6 ∙ 10-8 s และมักจะสลายตัวเป็นมิวออนและนิวตริโน (หรือปฏิปักษ์ที่สอดคล้องกัน)
mesons ส่วนใหญ่เรียกว่า Hadron resonances อายุสั้น (10-22 – 10-24 c) ปรากฏการณ์ที่ เกิดขึ้นในช่วงพลังงานสูงบางช่วง คล้ายกับสภาวะตื่นเต้นของอะตอม พวกเขาไม่ได้ลงทะเบียนในเครื่องตรวจจับ แต่คำนวณจากความสมดุลของพลังงานของปฏิกิริยา
สปิน โมเมนตัมของวงโคจร และความเท่าเทียมกัน
ไม่เหมือน baryons มีซอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีค่าจำนวนเต็มของเลขหมุน (0 หรือ 1) นั่นคือโบซอน ควาร์กเป็นเฟอร์มิออนและมีสปินครึ่งจำนวนเต็ม ½ หากโมเมนตัมของควาร์กและแอนติควาร์กขนานกัน ดังนั้นผลรวม - เมซอนสปิน - เท่ากับ 1 ถ้าขนานกัน จะเท่ากับศูนย์
เนื่องจากการหมุนเวียนกันของส่วนประกอบคู่ meson ยังมีเลขควอนตัมโคจรซึ่งมีส่วนทำให้มวลของมัน โมเมนตัมในวงโคจรและสปินเป็นตัวกำหนดโมเมนตัมเชิงมุมทั้งหมดของอนุภาค ซึ่งสัมพันธ์กับแนวคิดเชิงพื้นที่ หรือ P-parity (สมมาตรบางอย่างของฟังก์ชันคลื่นที่สัมพันธ์กับการผกผันของกระจกเงา) ตามการรวมกันของการหมุน S และภายใน (ที่เกี่ยวข้องกับกรอบอ้างอิงของอนุภาคเอง) P-parity มีซอนประเภทต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
- pseudoscalar - เบาที่สุด (S=0, P=-1);
- เวกเตอร์ (S=1, P=-1);
- สเกลาร์ (S=0, P=1);
- หลอกเวกเตอร์ (S=1, P=1).
สามประเภทสุดท้ายคือมีซอนที่ใหญ่มาก ซึ่งเป็นสถานะพลังงานสูง
ไอโซโทปและสมมาตรรวม
สำหรับการจำแนก mesons สะดวกในการใช้เลขควอนตัมพิเศษ - ไอโซโทปสปิน ในกระบวนการที่แข็งแกร่ง อนุภาคที่มีค่าไอโซสปินเท่ากันมีส่วนร่วมอย่างสมมาตร โดยไม่คำนึงถึงประจุไฟฟ้า และสามารถแสดงเป็นสถานะประจุที่แตกต่างกัน (การฉายภาพไอโซสปิน) ของวัตถุหนึ่งชิ้น ชุดของอนุภาคดังกล่าวซึ่งมีมวลใกล้เคียงกันมากเรียกว่าไอโซมัลติเพลต ตัวอย่างเช่น ไพออน isotriplet ประกอบด้วยสามสถานะ: π+, π0 และ π--meson.
ค่าของ isospin คำนวณโดยสูตร I=(N–1)/2 โดยที่ N คือจำนวนอนุภาคในมัลติเพล็ต ดังนั้น isospin ของ pion เท่ากับ 1 และประมาณการ Iz ในค่าใช้จ่ายพิเศษช่องว่างคือ +1, 0 และ -1 ตามลำดับ สี่ mesons แปลก ๆ - kaons - สร้าง isodoublets สองอัน: K+ และ K0 ที่มี isospin +½ และความแปลกประหลาด +1 และสองเท่าของปฏิปักษ์ K- และ ข0 ซึ่งค่าเหล่านี้เป็นลบ
ประจุไฟฟ้าของฮาดรอน (รวมถึงมีซอน) Q เกี่ยวข้องกับการฉายภาพ isospin Iz และที่เรียกว่าไฮเปอร์ชาร์จ Y (ผลรวมของหมายเลขแบริออนและรสชาติทั้งหมด ตัวเลข) ความสัมพันธ์นี้แสดงโดยสูตร Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2 เป็นที่ชัดเจนว่าสมาชิกทั้งหมดของมัลติเพล็ตเดียวมีไฮเปอร์ชาร์จเหมือนกัน จำนวนแบริออนของมีซอนเป็นศูนย์
จากนั้น เมซอนจะถูกจัดกลุ่มด้วยการหมุนเพิ่มเติมและความเท่าเทียมกันในซูเปอร์มัลติเพล็ต มีซอนเทียมแปดตัวสร้างออกเตต อนุภาคเวกเตอร์สร้าง nonet (เก้า) และอื่นๆ นี่คือการรวมตัวกันของระดับความสมมาตรที่สูงกว่าที่เรียกว่า unitary
Mesons และการค้นหา New Physics
ปัจจุบัน นักฟิสิกส์กำลังค้นหาปรากฏการณ์อย่างแข็งขัน คำอธิบายที่จะนำไปสู่การขยายตัวของแบบจำลองมาตรฐานและไปไกลกว่านั้นด้วยการสร้างทฤษฎีที่ลึกกว่าและทั่วไปกว่าของไมโครเวิร์ล - ฟิสิกส์ใหม่ สันนิษฐานว่ารุ่นมาตรฐานจะป้อนเป็นกรณีจำกัดพลังงานต่ำ ในการค้นหานี้ การศึกษามีซอนมีบทบาทสำคัญ
สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือมีซอนที่แปลกใหม่ - อนุภาคที่มีโครงสร้างที่ไม่เข้ากับเฟรมเวิร์กของโมเดลปกติ ดังนั้นที่ Large HadronCollider ในปี 2014 ยืนยัน Z (4430) tetraquark ซึ่งเป็นสถานะที่ถูกผูกไว้ของคู่ควาร์ก - แอนติควาร์กสองคู่ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์การสลายตัวระดับกลางของ B meson ที่สวยงาม การสลายเหล่านี้ยังน่าสนใจในแง่ของการค้นพบอนุภาคประเภทใหม่ที่เป็นสมมุติฐาน - เลปโตควาร์ก
นางแบบยังทำนายสถานะแปลกใหม่อื่น ๆ ที่ควรจัดเป็นมีซอน เนื่องจากพวกมันมีส่วนร่วมในกระบวนการที่แข็งแกร่ง แต่มีจำนวนแบริออนเป็นศูนย์ เช่น กลูออน ซึ่งเกิดขึ้นจากกลูออนที่ไม่มีควาร์กเท่านั้น วัตถุดังกล่าวทั้งหมดสามารถเติมเต็มความรู้ของเราอย่างมากเกี่ยวกับธรรมชาติของการโต้ตอบพื้นฐานและนำไปสู่การพัฒนาต่อไปของฟิสิกส์ของไมโครเวิร์ล
