V polovině 20. století se ve fyzice objevil koncept „částicové zoo“, což znamená různé elementární složky hmoty, se kterými se vědci setkali poté, co byly vytvořeny dostatečně silné urychlovače. Jedním z nejpočetnějších obyvatel „zoo“byly předměty zvané mezony. Tato rodina částic patří spolu s baryony do velké skupiny hadronů. Jejich studium umožnilo proniknout na hlubší úroveň struktury hmoty a přispělo k uspořádání znalostí o ní do moderní teorie základních částic a interakcí - Standardního modelu.
Historie objevů
Počátkem 30. let, poté, co bylo objasněno složení atomového jádra, vyvstala otázka o povaze sil, které zajistily jeho existenci. Bylo jasné, že interakce, která váže nukleony, musí být extrémně intenzivní a probíhat výměnou určitých částic. Výpočty provedené v roce 1934 japonským teoretikem H. Yukawou ukázaly, že tyto objekty jsou 200–300krát větší než hmotnost elektronu arespektive několikrát nižší než proton. Později dostali název mezony, což v řečtině znamená „střed“. Jejich první přímá detekce se však ukázala jako „selhání“kvůli blízkosti mas velmi odlišných částic.
V roce 1936 byly v kosmickém záření objeveny objekty (nazývaly se mu-mezony) s hmotností odpovídající Yukawovým výpočtům. Zdálo se, že hledané kvantum jaderných sil bylo nalezeno. Pak se ale ukázalo, že mu-mezony jsou částice, které nesouvisejí s výměnnými interakcemi mezi nukleony. Patří spolu s elektronem a neutrinem do další třídy objektů v mikrokosmu – leptonů. Částice byly přejmenovány na miony a hledání pokračovalo.
Kvanta Yukawa byla objevena teprve v roce 1947 a nazývala se „pi-mezony“neboli piony. Ukázalo se, že elektricky nabitý nebo neutrální pí-mezon je skutečně částice, jejíž výměna umožňuje koexistenci nukleonů v jádře.
Struktura mezonu
To bylo jasné téměř okamžitě: pivoňky nepřišly do „částicové zoo“samy, ale s mnoha příbuznými. Avšak díky množství a rozmanitosti těchto částic bylo možné zjistit, že jde o kombinace malého počtu základních objektů. Kvarky se ukázaly jako takové strukturální prvky.
Mezon je vázaný stav kvarku a antikvarku (spojení se uskutečňuje pomocí kvant silné interakce - gluonů). „Silný“náboj kvarku je kvantové číslo, běžně nazývané „barva“. Nicméně všechny hadronya mezony mezi nimi jsou bezbarvé. Co to znamená? Mezon může být tvořen kvarkem a antikvarkem různých typů (nebo, jak se říká, chutí, „příchutí“), ale vždy kombinuje barvu a antibarvu. Například π+-mezon je tvořen dvojicí u-kvark - anti-d-kvark (ud̄), přičemž kombinace jejich barevných nábojů může být "modrá - anti- modrá", "červená - anti-červená" nebo zelená-anti-zelená. Výměna gluonů mění barvu kvarků, zatímco mezon zůstává bezbarvý.
Kvarky starších generací, jako jsou s, c a b, dávají mezonům, které tvoří, odpovídající příchutě - podivnost, kouzlo a kouzlo, vyjádřené jejich vlastními kvantovými čísly. Celočíselný elektrický náboj mezonu je tvořen zlomkovými náboji částic a antičástic, které jej tvoří. Kromě tohoto páru, nazývaného valenční kvarky, mezon obsahuje mnoho ("mořských") virtuálních párů a gluonů.
Mezony a základní síly
Mezony, nebo spíše kvarky, které je tvoří, se účastní všech typů interakcí popsaných Standardním modelem. Intenzita interakce přímo souvisí se symetrií reakcí jí způsobených, tedy se zachováním určitých veličin.
Slabé procesy jsou nejméně intenzivní, šetří energii, elektrický náboj, hybnost, moment hybnosti (spin) – jinými slovy, působí pouze univerzální symetrie. V elektromagnetické interakci jsou také zachována parita a kvantová čísla mezonů. To jsou procesy, které hrají důležitou roli v reakcíchrozklad.
Silná interakce je nejvíce symetrická, zachovává ostatní veličiny, zejména isospin. Je zodpovědný za udržení nukleonů v jádře prostřednictvím iontové výměny. Vyzařováním a pohlcováním nabitých pí-mezonů proton a neutron procházejí vzájemnými přeměnami a při výměně neutrální částice zůstává každý z nukleonů sám sebou. Jak to lze znázornit na úrovni kvarků, je znázorněno na obrázku níže.
Silná interakce také řídí rozptyl mezonů nukleony, jejich produkci při srážkách hadronů a dalších procesech.
Co je quarkonium
Kombinace kvarku a antikvaru stejné chuti se nazývá quarkonia. Tento termín se obvykle používá pro mezony, které obsahují masivní c- a b-kvarky. Extrémně těžký t-kvark nestihne vůbec vstoupit do vázaného stavu a okamžitě se rozpadne na lehčí. Kombinace cc̄ se nazývá charmonium, neboli částice se skrytým kouzlem (J/ψ-mezon); kombinace bb̄ je bottomonium, které má skryté kouzlo (Υ-mezon). Oba se vyznačují přítomností mnoha rezonančních – excitovaných – stavů.
Částice tvořené lehkými složkami – uū, dd̄ nebo ss̄ – jsou superpozicí (superpozicí) příchutí, protože hmotnosti těchto kvarků jsou si blízké hodnoty. Neutrální π0-mezon je tedy superpozicí stavů uū a dd̄, které mají stejnou množinu kvantových čísel.
Nestabilita mesonu
Kombinace částice a antičástice má za následekže život jakéhokoli mezonu končí jejich zničením. Životnost závisí na tom, která interakce řídí rozpad.
- Mezony, které se rozpadají kanálem "silné" anihilace, řekněme, na gluony s následným zrozením nových mezonů, nežijí příliš dlouho - 10-20 - 10 - 21 str. Příkladem takových částic je quarkonia.
- Elektromagnetická anihilace je také poměrně intenzivní: životnost π0-mezonu, jehož pár kvark-antikvark anihiluje na dva fotony s pravděpodobností téměř 99 %, je asi 8 ∙ 10 -17 s.
- Slabá anihilace (rozpad na leptony) probíhá s mnohem menší intenzitou. Nabitý pion (π+ – ud̄ – nebo π- – dū) tedy žije poměrně dlouho – v průměru 2,6 ∙ 10-8 s a obvykle se rozpadá na mion a neutrino (nebo odpovídající antičástice).
Většina mezonů jsou takzvané hadronové rezonance, krátkodobé (10-22 – 10-24 c) jevy, které se vyskytují v určitých oblastech s vysokou energií, podobně jako excitované stavy atomu. Nejsou registrovány na detektorech, ale jsou vypočteny na základě energetické bilance reakce.
Spin, orbitální moment a parita
Mezony jsou na rozdíl od baryonů elementární částice s celočíselnou hodnotou spinového čísla (0 nebo 1), to znamená, že jsou to bosony. Kvarky jsou fermiony a mají polocelý spin ½. Jsou-li momenty hybnosti kvarku a antikvarku paralelní, pak jejichsoučet - mezonový spin - je roven 1, pokud je antiparalelní, bude roven nule.
Díky vzájemné cirkulaci dvojice komponent má mezon také orbitální kvantové číslo, které přispívá k jeho hmotnosti. Orbitální moment hybnosti a spin určují celkový moment hybnosti částice, spojený s konceptem prostorové neboli P-parity (určitá symetrie vlnové funkce vzhledem k zrcadlové inverzi). V souladu s kombinací spinu S a vnitřní (vztažené na vlastní vztažnou soustavu částice) P-parity se rozlišují následující typy mezonů:
- pseudoskalární - nejlehčí (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalární (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Poslední tři typy jsou velmi masivní mezony, což jsou stavy s vysokou energií.
Izotopové a unitární symetrie
Pro klasifikaci mezonů je vhodné použít speciální kvantové číslo - izotopový spin. V silných procesech se částice se stejnou isospinovou hodnotou účastní symetricky, bez ohledu na jejich elektrický náboj, a mohou být reprezentovány jako různé stavy náboje (isospinové projekce) jednoho objektu. Soubor takových částic, které jsou hmotnostně velmi blízké, se nazývá izomultiplet. Například izotriplet pionů obsahuje tři stavy: π+, π0 a π--mezon.
Hodnota isospinu se vypočítá podle vzorce I=(N–1)/2, kde N je počet částic v multipletu. Isospin pionu je tedy roven 1 a jeho projekce Iz ve speciálním nábojimezery jsou +1, 0 a -1. Čtyři podivné mezony - kaony - tvoří dva izodublety: K+ a K0 s izospinem +½ a podivností +1 a dubletem antičástic K- a K̄0, pro které jsou tyto hodnoty záporné.
Elektrický náboj hadronů (včetně mezonů) Q souvisí s izospinovou projekcí Iz a takzvaným hypernábojem Y (součet baryonového čísla a všech příchutí čísla). Tento vztah je vyjádřen vzorcem Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Je jasné, že všichni členové jednoho multipletu mají stejný hypernáboj. Baryonový počet mezonů je nula.
Poté jsou mezony seskupeny s dodatečným spinem a paritou do supermultipletů. Osm pseudoskalárních mezonů tvoří oktet, vektorové částice tvoří nonet (devět) a tak dále. Toto je projev symetrie vyšší úrovně zvané unitární.
Mezony a hledání nové fyziky
V současné době fyzici aktivně hledají jevy, jejichž popis by vedl k rozšíření Standardního modelu a k jeho překročení s konstrukcí hlubší a obecnější teorie mikrosvěta – Nové fyziky. Předpokládá se, že Standardní model do něj vstoupí jako limitující, nízkoenergetický případ. Při tomto hledání hraje důležitou roli studium mezonů.
Zvláště zajímavé jsou exotické mezony - částice se strukturou, která nezapadá do rámce obvyklého modelu. Takže u Velkého hadronuCollider v roce 2014 potvrdil tetrakvark Z(4430), vázaný stav dvou párů kvark-antikvark ud̄cc̄, meziprodukt rozpadu krásného mezonu B. Tyto rozpady jsou také zajímavé z hlediska možného objevu hypotetické nové třídy částic - leptokvarků.
Modely také předpovídají další exotické stavy, které by měly být klasifikovány jako mezony, protože se účastní silných procesů, ale mají nulové baryonové číslo, jako jsou gluony, tvořené pouze gluony bez kvarků. Všechny takové objekty mohou významně doplnit naše znalosti o podstatě základních interakcí a přispět k dalšímu rozvoji fyziky mikrosvěta.
