Mezonai — kas tai yra: sudėtis, savybės ir reikšmė dalelių fizikoje
Mezonai: kas tai yra, kvarkų–antikvarkų sudėtis, pagrindinės savybės ir reikšmė dalelių fizikoje — aiškus ir glaustas paaiškinimas tiek pradedantiesiems, tiek entuziastams.
Mezonai yra neįtikėtinai mažos subatominės dalelės, sudarytos iš vieno kvarko ir vieno antikvarko. Antikvarkai yra įprastų kvarkų antimaterijos atitikmuo: jie turi priešingas tam tikras kvantines savybes (pvz., krūvį ir kvarko skonį), tačiau ne visada „priešingą” sukinį — kvarkai ir antikvarkai turi pusiau skaitinius sukinius, bet jų anihiliacija arba sąveika gali išskirti energiją ir sukurti kitas daleles (pvz., fotonus, gluonus ar kitus tarpininkus), jei sąlygos tam tinkamos. Mezono pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio „mesos“, reiškiančio vidurį: pirmųjų atrastų mezonų masės dažniausiai buvo tarp labai lengvų dalelių, pavyzdžiui, elektronų (vadinamų leptonais), ir sunkiųjų dalelių, pavyzdžiui, protonų (vadinamų barionais).
Sudėtis ir pagrindinės savybės
Mezonai yra hadronai (t. y. dalelės, kurias laiko kartu stiprioji sąveika) ir sudaryti iš kvarko bei antikvarko poros. Svarbiausi jų kvantiniai dydžiai:
- Sukinis: mezonai paprastai yra bosonai (turintys sveikąjį sukinį, pvz., 0 arba 1), nors susidarantys junginiai gali turėti ir didesnius sukinio ekscitus.
- Krūvis ir skoniai: priklauso nuo sudarančių kvarkų (pvz., up, down, strange, charm, bottom, top — tačiau top kvarkas dėl savo trumpalaikumo praktiškai nesudaro mezonų).
- Izospinas, paritetas, C-paritetas: papildomi kvantiniai skaičiai, naudojami mezonų klasifikacijai ir aprašymui.
- Masa: priklauso ne tik nuo kvarkų masių, bet ir nuo stipriosios sąveikos susiejimo energijos; dalis mezonų (pvz., pionai) yra ypač lengvi dėl chiralinės simetrijos lūžimo.
Tipai ir pavyzdžiai
Mezonai skirstomi pagal sudėtį ir sukinį. Kai kurie gerai žinomi pavyzdžiai:
- Pionai (π): lengviausi mezonai, reikšmingi branduolinėje fizikoje ir atomų branduolių sąveikose.
- Kaonai (K): turi strange kvarką, svarbūs CP simetrijos tyrimams.
- Eta (η) ir eta-prime (η′): neutrinės būsenos su sudėtingesne struktūra.
- Šarminiai mezonai (D, B): turi charm arba bottom kvarkus; jų tyrimai leidžia tirti weak (silpnąją) sąveiką ir CKM matricą.
- Kvarkonai (quarkonium, pvz., charmonium c c̄, bottomonium b b̄): tai kvarkas ir tas pats antikvarkas, sudarantys sunkius rezonansus.
Sąveikos, skilimas ir laikas
Mezonai gali sąveikauti per stipriąją, elektromagnetinę ir silpnąją sąveikas. Daug mezonų greitai suyra (per labai trumpą laiką) į kitas daleles — skilimo kanalai priklauso nuo masės ir kvantinių skaičių. Kai kurie pagrindiniai punktai:
- Skilimas per stipriąją sąveiką vyksta labai greitai (žemesnis gyvenimo laikas), o per silpnąją — gali būti ilgesnis (pvz., neutralieji K-mezonai gali gyvuoti pakankamai ilgai, kad būtų išmatuota CP simetrijos pažeidimo įtaka).
- Mezonų skilimo produktai aptinkami dalelių detektoriuose — pagal juos rekonstruojama pradinė mezono būsena.
- Kai kvarkas ir antikvarkas anihiliuoja, išsiskirianti energija gali virsti kitomis dalelėmis, priklausomai nuo energijos sąlygų (dažniausiai fotonais ar gluonais, o aukštos energijos sąlygomis — ir sunkesnėmis dalelėmis).
Reikšmė dalelių fizikoje
Mezonai atlieka kelias svarbias funkcijas:
- QCD ir stiprioji sąveika: mezonai padeda tirti kvantinės chromodinamikos (QCD) savybes, pavyzdžiui, sąvokas apie confinement (kvarkų suvaržymą) ir hadronų spektrą.
- CP pažeidimai ir Standardinis modelis: eksperimentai su kaonais ir B-mezonais suteikė svarbių įrodymų apie CP simetrijos pažeidimą ir padėjo nustatyti CKM matricos parametrus.
- Spektroskopija: mezonų energinės būsenos ir rezonansai leidžia suprasti kvarkų sąveikų potencialus ir vidinę struktūrą.
Egzotinės būsenos
Be įprastų kvark–antikvark mezonų, pastebėta ir egzotiškesnių būsenų, kurios neatitinka paprasto modelio: tetraquarkai (keturių kvarkų junginiai), molekuliniai hadronai (silpčiau susijusios dvi hadronų dalelės) ir galimos glueball būsenos, sudarytos iš gluonų. Šios egzotikos tyrimas padeda gilinti supratimą apie QCD neperturbinioje srityje.
Kur mezonai tyrinėjami?
Mezonus tiria daugelis dalelių fizikos eksperimentų: dideliems sprogimams (pvz., LHC) ir specializuotiems b-fabriksams (pvz., Belle, BaBar), taip pat keičiamuose eksperimentuose kaip BESIII. Tyrimai apima daug sričių — nuo elementarių sąveikų matavimo iki naujos fizikos paieškos už Standartinio modelio ribų.
Santrauka: mezonai — tai kvarko ir antikvarko poros, kurios yra svarbūs hadronų fizikos elementai. Jie padeda suprasti stipriąją sąveiką, CP pažeidimus, hadronų spektrą ir gali būti vartai į naujas egzotines būsenas bei giluminį kvantinės chromodinamikos suvokimą.
Mezonų sukinys
Mezonai yra hadronai, o tai paprasčiausiai reiškia, kad jie sudaryti iš kvarkų. Kadangi kvarkai turi skirtingus dalinius krūvius, mezonai gali turėti krūvį. Tačiau kvarkų krūviai gali būti panaikinami ir susidaro neįkrautas mezonas. Likusi hadronų šeima vadinama barionais, kurie sudaryti iš trijų kvarkų. Kadangi visų kvarkų sukinys lygus 1/2, trys kvarkai niekada nesudarys sveiko skaičiaus sukinio. Viso skaičiaus sukinys yra tiesiog 0, 1 arba 2. Dalelės su sveikojo skaičiaus sukiniu vadinamos bozonais, kurie paklūsta Bozės-Einšteino statistikai. Tai reiškia, kad tuo pačiu metu tame pačiame erdvės taške gali būti daugiau nei vienas bozonas. Tačiau mezonas sudarytas iš vieno kvarko ir vieno antikvarko, kurių kiekvienas neturi sveikojo skaičiaus sukinio. Dalelės, kurios neturi sveikojo skaičiaus sukinio, turi 1/2 arba 3/2 sukinį. Šios dalelės, turinčios 1/2 sukinio, vadinamos fermionais, nes jos paklūsta Fermio-Dirako statistikai. Tai reiškia, kad tuo pačiu metu tame pačiame erdvės taške gali būti ne daugiau kaip vienas fermionas. Visi žinomi barionai ir kvarkai (bei antikvarkai) yra fermionai, o visi mezonai - bozonai. Tai gali labai supainioti, nes tai reiškia, kad tame pačiame erdvės taške vienu metu gali būti daugiau nei vienas mezonas, tačiau kvarkų, iš kurių sudaryti mezonai, tame pačiame erdvės taške vienu metu būti negali.
Mezonų kūrimas
Dažniausiai mezonus randame natūraliai, kosminiams spinduliams sąveikaujant su materija. Šį procesą galima pakartoti dalelių greitintuvuose, kurie susmulkina didelės energijos kvarkus ir antikvarius. Tačiau mezonai yra labai nestabilūs ir greitai virsta kitomis dalelėmis. Įkrauti mezonai gali suirti į elektronus ir neutrinus, o neįkrauti mezonai - į fotonus. Kadangi antimaterija naikina materiją, susidaro daug energijos. Energija susidaro pagal lygtį E=mc2 .
| · v · t · e Dalelės fizikoje | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Sudėtinis |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra mezonai?
A: Mezonai yra neįtikėtinai mažos subatominės dalelės, sudarytos iš vieno kvarko ir vieno antikvarko.
K: Kas yra antikvarkas?
A: Antikvarkas yra įprasto kvarko antimaterijos atitikmuo.
K: Kaip sąveikauja kvarkų ir antikvarkų sukiniai?
A: Kvarkų ir antikvarkų sukiniai gali panaikinti vienas kitą, todėl susidaro dalelė, panaši į Higso bozoną.
K: Iš kur kilęs mezonų pavadinimas?
A: Mezono pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio "mesos", reiškiančio vidurį.
K: Kodėl mezonams buvo suteiktas toks pavadinimas?
A: Mezonams toks pavadinimas suteiktas todėl, kad pirmųjų atrastų mezonų masės buvo tarp lengvų dalelių, pavyzdžiui, elektronų, vadinamų leptonais, ir sunkiųjų dalelių, pavyzdžiui, protonų, vadinamų barionais, masių.
K: Kas yra leptonai?
A: Leptonai yra lengvos dalelės, panašios į elektronus.
Ieškoti