mezon

Mezony (z řečtiny: τὸ μέσον (tó méson) „prostřední“) jsou nestabilní subatomární částice . Skládají se z dvojice kvark - anti -kvark, tvoří jednu ze dvou skupin hadronů . Mezony se liší od druhé skupiny hadronů, baryonů , svým integrálním spinem ; jsou to tedy bosoni .

Název „mezon“ byl zvolen kvůli středně těžké hmotnosti prvního objeveného mezonu, pionu , mezi elektronem a protonem .

Mezony vznikají při srážkách částic s vysokou energií (např. V kosmických paprscích nebo při experimentech ve fyzice vysokých energií ) a rozpadají se ve zlomcích sekundy. Jsou klasifikovány podle typu kvarků, které obsahují, jejich rotace a jejich parity . Mezony se prostřednictvím svých kvarků účastní silné a slabé interakce i gravitace ; Elektricky nabité mezony také podléhají elektromagnetické interakci .

definice

V literatuře se mezonům někdy rozumí pouze bosony tvořené kvarkem a antikvarkem a někdy všechny bosony se silnou interakcí. V druhém případě by se mezi mezony počítaly také hypotetické glueballs a tetraquarks , které jsou pak také označovány jako exotické mezony .

vlastnosti

Kvarkový model umožňuje konzistentní popis všech pozorovaných mezonů jako vazebného stavu kvarku s antičásticemi kvarku (antikvark). Mezony jako kompozitní částice proto nejsou základními elementárními částicemi .

Mezony mají celé číslo (celkem) spin, nejlehčí J = 0 ( skalární nebo pseudoskalární mezony ) nebo J = 1 ( vektorové mezony nebo pseudov vektorové mezony ). V modelu kvarku to lze vysvětlit skutečností, že dva kvarky, které tvoří mezon, mají každý spin 1/2 a jejich otočení může být antiparalelní nebo paralelní. Mezony navíc mohou mít také vnitřní excitační stavy, které jsou popsány orbitálním momentem hybnosti> 0, a také radiální excitace. Tím se zvyšuje jejich energie, takže mají jiné vlastnosti (spin, produkty rozpadu, ...) než mezony v základním stavu .

Všechny mezony jsou nestabilní. Rozpadají se na lehčí hadrony (většinou jiné, lehčí mezony) a / nebo na leptony . Mezony bez kvant a nábojových kvantových čísel se mohou také rozpadat na fotony elektromagneticky .

Točení a parita

Druhy mezonů
	J ^PC	J.	P.	C.	S.	L.
Pseudoskalární mezon	0 ^{- +}	0	-	+	0	0
Vektor mezon	1 ⁻⁻	1	-	-	1	0
Skalární mezon	0 ⁺⁺	0	+	+	1	1
Pseudo- vektor mezon	1 ^{+ -}	1	+	-	0
Pseudo- vektor mezon	1 ⁺⁺	1	+	+	1
Tensor mezon	2 ⁺⁺	2	+	+	1
Dále	...	...	...	...	...	> 1

Pozorovatelná kvantová čísla mezonů jsou (kromě chuti a isospinu ):

celkový moment hybnosti (spin) J
parity P
náboj konjugace C (definovány pouze pro mesons bez poplatku a chuť)

Tato kvantová čísla ze spinu a orbitálního momentu hybnosti kvarku a antiquarku lze vysvětlit:

Orbitální moment hybnosti může převzít všechny celočíselné hodnoty: L = 0, 1, 2, ...
Kvark se otáčí s = ½ páru k celkovému roztočení S = 0 nebo S = 1
Pro celkový moment hybnosti J je považován vzhledem k oběžné dráze spojovacího spin poté
- J = L pro S = 0
- J = 1 pro S = 1 a L = 0
- J = L - 1, L, L + 1 pro S = 1 a L> 0
Pro paritu mají kvarky jako fermiony a antifermiony opačné vnitřní parity: P = (−1) ^{L + 1}
Pro nabití konjugaci kde: C = (-1) ^{L + S} .

Následující kombinace proto nejsou implementovány: J ^PC = 0 ⁻⁻ , (liché J) ^{- +} , (sudé J) ^{+ -} . Pokud by někdo objevil „exotické mezony“ s takovými kvantovými čísly, musel by být složen odlišně ( tetraquark , glueballs , ...).

Multiplety

Pseudoskalární mezony (J ^P = 0 ^- ) ze světelných kvarků

Vektorové mezony (J ^P = 1 ^- ) ze světelných kvarků

Protože existuje šest různých tvarohových příchutí , můžete očekávat 6 × 6 = 36 různých kombinací příchutí a příchutí (pokud počítáte meson a antimeson celkem pouze jednou). Teoreticky to má za následek 36 mezonů pro každou kombinaci spinové orientace (paralelní, antiparalelní), orbitální moment hybnosti a radiální buzení.

V praxi existují jasná omezení: mezonské stavy s vyšší energií se generují obtížněji, mají kratší životnost a je obtížnější je spektroskopicky oddělit. Proto je počet známých mezonů omezený.

Kvantová mechanika tento obraz komplikuje . Tři lehčí kvarky u, d a s se ve své hmotnosti příliš neliší. Proto se v některých případech tvoří superpozici několika kvark-antikvark páry: neutrální pion (π mezon), například, je směs o u u - s ad d -state (antikvarky jsou přejel). S mezony 3 × 3 = 9 ze tří lehčích kvarků je tedy nutné zacházet jako s celým. Pokud vezmeme v úvahu nejnižší stavy (orbitální moment hybnosti L = 0; žádné radiální buzení), pak se v závislosti na celkovém spinu vytvoří nonety z pseudoskalárních mezonů (J ^P = 0 ^- ) a vektorových mezonů (J ^P = 1 ^- ) . Tři z těchto mezonů mají náboj Q = 0 a podivnost S = 0 a jsou to kvantově mechanické směsi u u , d d a s s .

Při vyšších energiích se objevuje více mezonů, což lze interpretovat jako více vzrušené kvark-antikvarkové stavy. Přiřazení však není vždy snadné a jednoznačné, zejména proto, že i zde se mohou vyskytovat kvantově mechanické směsi.

Hmotnosti těžkých kvarků c a b se výrazně liší od hmotností kvarků u, d a s a od sebe navzájem, takže mezony lze zde zobrazit samostatně. T-kvark je zase extrémně těžký a rozpadá se, než může vytvořit vázané stavy s jinými kvarky.

Pojmenování

Hideki Yukawa

Na základě pozorovaných vlastností atomových jader postuloval Hideki Yukawa v roce 1935 typ částice, který měl zprostředkovat přitažlivost mezi protony a neutrony v atomovém jádru. Tato interakce Yukawa vede k atraktivnímu potenciálu Yukawa , který závisí na hmotnosti výměnné částice. Protože předpovídaná hmotnost byla mezi hmotami elektronu a protonu, pojmenoval ji podle řeckého slova μέσος mésos „střední“, „uprostřed“, „střední“. Po objevení prvního mezonu, pionu , v roce 1947 Cecilem Powellem , získala Yukawa v roce 1949 Nobelovu cenu za fyziku .

Dříve objevený mion , jehož hmotnost je také mezi hmotou elektronů a protonů, byl původně mylně považován za částici Yukawa a byl nazýván mu-mezon . Pozdější experimenty však ukázaly, že mion nepodléhá silné interakci. Pouze postupně se význam slova mezon změnil na aktuální definici uvedenou výše.

V následujících desetiletích bylo objeveno více mezonů, z nichž některé mají větší hmotnost než proton. Jejich pojmenování zůstalo nesystémové, dokud nebyla zformulována komplexní teorie (kvarkový model, kvantová chromodynamika ), která vysvětluje vztahy mezi mezony. Níže jsou použita jména, která se používají od roku 1988.

Mezony bez kvantového čísla chuti

Mezony bez kvantového čísla chuti buď sestávají pouze z kvarků u a d, nebo jsou stavy kvarku a jeho vlastního antikvarku, takzvaného kvarkonia (s s , c c , b b ). Aby měla isospinová trojčata jednotná jména, jsou nabité mezony světelných kvarků (u d , d u ) ve smyslu této nomenklatury považovány za „bez aromatického kvantového čísla“. Schéma pojmenování bylo v této podobě zavedeno v roce 1986.

Na konci roku 2017 bylo schéma pojmenování rozšířeno o exotické mezony, jako jsou státy tetraquark nebo gluonium . Schéma pojmenování je primárně založeno na kvantových číslech (J, P, C a I). Tímto způsobem lze také přesně identifikovat částice, pokud jejich vnitřní struktura ještě není známa nebo ještě nebyla přesně prozkoumána. Byly definovány nové symboly (Π, R, W, Z) pro stavy isospin-1 se skrytým kouzlem nebo spodní příchutí. Existence stavů Π a W však dosud nebyla prokázána. Protože je horní kvark tak těžký, že se rozpadá příliš rychle, aby vytvořil vázané stavy, struktury jako t t již nemají samostatný název.

Pojmenování je následující:

J ^PC	^{2S + 1} L _J	Isospin = 1	Isospin = 0			Isospin = 1
J ^PC	^{2S + 1} L _J	u d , d u , (u u −d d )	Směs (u u + d d ) se s s	c c	b b	c c	b b
1 ⁻⁻ , 2 ⁻⁻ , 3 ⁻⁻ , ...	³ (L rovně) _J	ρ	ω, φ	ψ ²⁾	Υ	R _c	R _b¹⁾
0 ^{- +} , 2 ^{- +} , 4 ^{- +} , ...	¹ (L rovně) _J	π	η, η '	η _c	η _b	Π _c¹⁾	Π _b¹⁾
0 ⁺⁺ , 1 ⁺⁺ , 2 ⁺⁺ , ...	³ (L lichý) _J	A	f, f '	χ _c	χ _b	W _c¹⁾	W _b¹⁾
1 ^{+ -} , 3 ^{+ -} , 5 ^{+ -} , ...	¹ (L lichý) _J	b	h, h '	h _c	h _b	Z _c	Z _b

¹⁾ hypotetické nebo dosud neobjevené

²⁾Z historických důvodů se 1 ^- základní stav c c neříká ψ, ale J / ψ .

Aby se rozlišily mezony se stejnými kvantovými čísly, je hmotnost v MeV / c ^{2 vložena} do závorek za symbol.
U mezonů vytvořených ze světelných kvarků (d, u, s) je spin J uveden jako dolní index, s výjimkou pseudoskalárních a vektorových mezonů, např. B. a ₀ (980).
Pro kvarkonie vytvořené z těžkých kvarků (c, b) je uvedeno spektroskopické označení, je -li známo - např. B. ψ (2S), stejně jako J jako další index - z. B. χ _c1 (1P). (Podrobnosti viz Quarkonium .) Jinak je zde uvedena i hmotnost - např. B. ψ (3770).
Pro nejnižší stav lze informace o hmotnosti nebo spektroskopickém stavu vynechat - tj. Φ = φ (1020) a η _c = η _c (1S).
Symbol X se používá pro neznámá kvantová čísla.

Mezony s kvantovým číslem chuti

Mezony s kvantovým číslem chuti jsou kombinace kvarku a antikvarku, ve kterých jeden (anti) kvark je s, c nebo b a druhý není jeho antičástice. Stavy špičkových kvarků již nejsou zahrnuty do schématu pojmenování.

Na tyto mezony se vztahuje následující nomenklatura:

Antiquark → Quark ↓	dolů	nahoru	podivný	kouzlo	dno
dolů	^(*)	^(*)	K ⁰	D ^-	B ⁰
nahoru	^(*)	^(*)	K ⁺	D ⁰	B ⁺
podivný	K ⁰	K ^-	^(*)	D _s^-	B _s⁰
kouzlo	D ⁺	D ⁰	D _s⁺	^(*)	B _c⁺
dno	B ⁰	B ^-	B _s⁰	B _c^-	^(*)

Mezony jsou zvýrazněny zeleně, antimesony žlutě

^(*)Kombinace q q , jejichž nomenklatura dodržuje pravidla pro mezony bez příchuti , jsou zvýrazněny bíle .

Kódové písmeno mezonu závisí na těžším (anti-) kvarku: podle toho, který je an s, c nebo b, se mezon nazývá K, D nebo B.
Pokud lehčí (anti-) kvark není a u nebo d, je také uveden jako nižší index. Příklad: Kombinace c s je mezon D _s .
Elektrický náboj Q je uveden jako horní index.
Pokud je těžší (anti-) kvark kladně nabitý (tj. Je s , c nebo b ), je to podle konvence mezon; jinak ( tj. pokud je těžší (anti-) kvark s, c nebo b) je to antimeson. Příklad: K ⁰ má složení s d; K ⁰ složení s d . Elektricky neutrální antimesony jsou označeny lomítkem; u elektricky nabitých to není nutné, protože podle této konvence kladně nabité kombinace q q jsou vždy mezony a záporně nabité kombinace q q jsou vždy antimesony.
Mezony se sudým celkovým spinem a pozitivní paritou ( J ^P = 0 ⁺ , 2 ⁺ , ...) nebo lichým celkovým spinem a negativní paritou ( J ^P = 1 ^- , 3 ^- , ...) jsou také označeny a *. S těmito mezony jsou spiny obou kvarků rovnoběžné.
Pro další rozlišení je hmotnost (v MeV / c ² ) uvedena v závorkách. To lze u nejlehčích mezonů (základní stav) vynechat.

Seznam některých mezonů

V současné době ( Particle Data Group , kompilace z roku 2019) je známo 139 mezonů; existují náznaky pro dalších 74 mezonů (ostatní položky nepovažujeme za stanovené) . Následující seznam uvádí výběr nejdůležitějších mezonů (dlouhodobé, základní stavy):

Příjmení	symbol	Kvarky	Hmotnost ( MeV / c²)	Životnost ( y )
Pseudoskalární mezony tvořené d-, u- a s-kvarky
Pion	π ⁺ , π ^-	u d , u d	0139,6	2,6 · 10 ⁻⁸⁰
Pion	π ⁰	(u u - d d )	0135,0	8,5 · 10 ⁻¹⁷
Kaon	K ⁺ , K ^-	u s , s u	0493,7	1,2 · 10 ⁻⁸⁰
Kaon	K ⁰ , K ⁰	d s , s d	0497,6	K _S¹⁾ : 9,0 · 10 ⁻¹¹ K _L : 5,1 · 10 ⁻⁸⁰
η mezon	η	(u u + d d - 2 s s )	0547,9	5 · 10 ⁻¹⁹
η'-mezon	η ′	(u u + d d + s s )	0957,8	3 · 10 ⁻²¹
Vektorové mezony z d-, u- a s-kvarků
ρ mezon	ρ ⁺ , ρ ^-	u d , u d	0770	4 · 10 ⁻²⁴
ρ mezon	ρ ⁰	(u u - d d )	0775,5	4 · 10 ⁻²⁴
Kaon	K ^{* +} , K ^{* -}	u s , s u	0891,8	1,3 · 10 ⁻²³
Kaon	K ^{* 0} , K ^{* 0}	d s , s d	0895,6	1,3 · 10 ⁻²³
ω mezon	ω	(u u + d d )	0782,6	7 · 10 ⁻²³
φ mezon	φ	s s	1019,5	2 · 10 ⁻²²
Mezony s kvarky c a / nebo b
D mezon	D ⁺ , D ^-	c d , c d	1869,6	10,4 · 10 ⁻¹³
D mezon	D ⁰ , D ⁰	c u , c u	1864,8	4,1 · 10 ⁻¹³
D _s -Meson	D _s⁺ , D _s^-	c s , c s	1968.3	5,0 · 10 ⁻¹³
J / ψ mezon	J / ψ	c c	3096,9	8 · 10 ⁻¹⁹
B mezon	B ⁺ , B ^-	u b , u b	5279,3	1,6 · 10 ⁻¹²
B mezon	B ⁰ , B ⁰	b d, b d	5279,6	1,5 · 10 ⁻¹²
Υ mezon	Υ	b b	9460,3	1,3 · 10 ⁻²⁰

Antikvarky a antičástice jsou zobrazeny podtrženě .

¹⁾K _S a K _L jsou kvantově mechanické směsi K ⁰ a K ⁰ - viz kaon .

webové odkazy

Wikislovník: Meson - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

Skupina dat částic . Hodnoty měření elementárních částic

Individuální důkazy

↑ WE Burcham, M. Jobes (1995)
^ Hideki Yukawa : O interakci elementárních částic. Já . In: Proč. Phys.-Math. Soc. Japonsko . páska 17 , 1935, s. 48-57 .
^ Wilhelm Gemoll : řecko-německá škola a ruční slovník. Mnichov / Vídeň 1965.
↑ CMG Lattes, H. Muirhead, GPS Occhialini, CF Powell: Procesy zahrnující nabité mezony . In: Příroda . páska 159 , 1947, s. 694-697 , doi : 10,1038 / 159694a0 .
↑ Skupina údajů o částicích: Schéma pojmenování hadronů (přepracováno v roce 2017). (PDF; 86 KB) Přístup 17. února 2018 (anglicky).
↑ M. Tanabashi a kol. (Skupina dat částic): Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) a aktualizace 2019 (cutoff: 15. ledna 2019)

[1] WE Burcham, M. Jobes (1995)

[2] Hideki Yukawa : O interakci elementárních částic. Já . In: Proč. Phys.-Math. Soc. Japonsko . páska 17 , 1935, s. 48-57 .

[3] Wilhelm Gemoll : řecko-německá škola a ruční slovník. Mnichov / Vídeň 1965.

[4] CMG Lattes, H. Muirhead, GPS Occhialini, CF Powell: Procesy zahrnující nabité mezony . In: Příroda . páska 159 , 1947, s. 694-697 , doi : 10,1038 / 159694a0 .

[schema2017-5] Skupina údajů o částicích: Schéma pojmenování hadronů (přepracováno v roce 2017). (PDF; 86 KB) Přístup 17. února 2018 (anglicky).

[6] M. Tanabashi a kol. (Skupina dat částic): Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) a aktualizace 2019 (cutoff: 15. ledna 2019)

Languages