بحلول منتصف القرن العشرين ، ظهر مفهوم "حديقة الجسيمات" في الفيزياء ، مما يعني مجموعة متنوعة من المكونات الأولية للمادة ، والتي واجهها العلماء بعد إنشاء مسرعات قوية بدرجة كافية. واحدة من أكثر سكان "حديقة الحيوان" كانت كائنات تسمى الميزون. هذه العائلة من الجسيمات ، جنبًا إلى جنب مع الباريونات ، تندرج في المجموعة الكبيرة من الهادرونات. جعلت دراستهم من الممكن اختراق مستوى أعمق من بنية المادة وساهمت في ترتيب المعرفة حولها في النظرية الحديثة للجسيمات الأساسية والتفاعلات - النموذج القياسي.
تاريخ الاكتشاف
في أوائل الثلاثينيات ، بعد توضيح تكوين النواة الذرية ، نشأ سؤال حول طبيعة القوى التي ضمنت وجودها. كان من الواضح أن التفاعل الذي يربط النوكليونات يجب أن يكون شديدًا للغاية ويتم تنفيذه من خلال تبادل جزيئات معينة. أظهرت الحسابات التي أجراها المنظر الياباني هـ. يوكاوا عام 1934 أن هذه الأجسام أكبر بمقدار 200-300 مرة من كتلة الإلكترون ،على التوالي ، عدة مرات أدنى من البروتون. في وقت لاحق حصلوا على اسم الميزون ، والذي يعني في اليونانية "الوسط". ومع ذلك ، تبين أن أول اكتشاف مباشر لهم كان "خطأً" بسبب قرب كتل الجسيمات المختلفة جدًا.
في عام 1936 ، تم اكتشاف الأجسام (التي كانت تسمى mu-mesons) ذات الكتلة المقابلة لحسابات Yukawa في الأشعة الكونية. يبدو أنه تم العثور على الكمية المطلوبة من القوات النووية. ولكن بعد ذلك اتضح أن الميو-ميزونات هي جسيمات لا علاقة لها بالتفاعلات التبادلية بين النوكليونات. هم ، مع الإلكترون والنيوترينو ، ينتمون إلى فئة أخرى من الكائنات في العالم الصغير - اللبتونات. تمت إعادة تسمية الجسيمات بالميونات واستمر البحث.
تم اكتشاف يوكاوا كوانتا فقط في عام 1947 وكان يطلق عليها "بي ميزون" ، أو بيونات. اتضح أن pi-meson المشحون كهربائيًا أو المحايد هو بالفعل الجسيم الذي يسمح تبادله للنيوكليونات بالتواجد في النواة.
هيكل ميزون
أصبح واضحًا على الفور تقريبًا: جاء الفاونيا إلى "حديقة حيوان الجسيمات" ليس بمفردها ، ولكن مع العديد من الأقارب. ومع ذلك ، فقد كان من الممكن إثبات أنها مجموعات من عدد صغير من الكائنات الأساسية بسبب عدد وتنوع هذه الجسيمات. تحولت الكواركات إلى عناصر هيكلية.
الميزون هي حالة منضمة للكوارك والكوارك المضاد (يتم الاتصال عن طريق كمية من التفاعل القوي - الغلوونات). الشحنة "القوية" للكوارك هي رقم كمي ، يطلق عليه تقليديًا "اللون". ومع ذلك ، كل الهادروناتوالميزونات فيما بينها عديمة اللون. ماذا يعني ذلك؟ يمكن تكوين الميزون بواسطة كوارك وكوارك مضاد من أنواع مختلفة (أو ، كما يقولون ، نكهات ، "نكهات") ، لكنه دائمًا ما يجمع بين اللون والألوان المضادة. على سبيل المثال ، π+-meson يتكون من زوج من كوارك u - anti-d-quark (ud̄) ، ويمكن أن يكون الجمع بين شحنات الألوان الخاصة بهم "أزرق - مضاد- أزرق "،" أحمر - مضاد للأحمر "أو أخضر - مضاد - أخضر. تبادل الغلوونات يغير لون الكواركات ، بينما الميزون يبقى عديم اللون.
كواركات الأجيال الأكبر سناً ، مثل s و c و b ، تعطي النكهات المقابلة للميزونات التي تشكلها - الغرابة والسحر والسحر ، معبراً عنها بأرقامها الكمومية. تتكون الشحنة الكهربائية الصحيحة للميزون من الشحنات الجزئية للجسيمات والجسيمات المضادة التي تشكلها. بالإضافة إلى هذا الزوج ، المسمى كواركات التكافؤ ، يشتمل الميزون على العديد من الأزواج الافتراضية وغلونات ("البحر").
الميزون والقوى الأساسية
الميزونات ، أو بالأحرى ، الكواركات التي تتكون منها ، تشارك في جميع أنواع التفاعلات التي يصفها النموذج القياسي. ترتبط شدة التفاعل ارتباطًا مباشرًا بتماثل التفاعلات الناتجة عنه ، أي الحفاظ على كميات معينة.
العمليات الضعيفة هي الأقل كثافة ، فهي تحافظ على الطاقة ، والشحنة الكهربائية ، والزخم ، والزخم الزاوي (الدوران) - وبعبارة أخرى ، تعمل التماثلات العامة فقط. في التفاعل الكهرومغناطيسي ، يتم أيضًا حفظ أرقام التكافؤ والنكهة الكمومية للميزونات. هذه هي العمليات التي تلعب دورًا مهمًا في ردود الفعلاضمحلال
التفاعل القوي هو الأكثر تناسقًا ، مع الحفاظ على الكميات الأخرى ، على وجه الخصوص ، isospin. وهي مسؤولة عن الاحتفاظ بالنيوكليونات في النواة من خلال التبادل الأيوني. من خلال إصدار وامتصاص pi-mesons المشحونة ، يخضع البروتون والنيوترون لتحولات متبادلة ، وأثناء تبادل الجسيم المحايد ، تظل كل من النيوكليونات نفسها. كيف يمكن تمثيل هذا على مستوى الكواركات موضحة في الشكل أدناه.
يتحكم التفاعل القوي أيضًا في تشتت الميزونات بواسطة النيوكليونات ، وإنتاجها في تصادم الهادرونات والعمليات الأخرى.
ما هو الكواركونيوم
مزيج الكوارك والكوارك المضاد من نفس النكهة يسمى كواركونيا. يُطبق هذا المصطلح عادةً على الميزونات التي تحتوي على كتلة ضخمة من الكواركات c و b. لا يملك تي-كوارك الثقيل للغاية وقتًا للدخول في حالة ملزمة على الإطلاق ، ويتحلل على الفور إلى حالة أخف. تسمى المجموعة cc̄ charmonium ، أو جسيم ذو سحر خفي (J / ψ-meson) ؛ تركيبة bb̄ هي bottomonium ، والتي لها سحر خفي (Υ-meson). كلاهما يتميز بوجود العديد من الحالات الرنانة - المتحمسة.
الجسيمات المكونة من مكونات الضوء - uū أو dd̄ أو ss̄ - هي تراكب (تراكب) للنكهات ، لأن كتل هذه الكواركات قريبة من حيث القيمة. وبالتالي ، فإن المحايد π0-meson هو تراكب للحالتين uū و dd̄ ، اللتين لهما نفس مجموعة الأرقام الكمية.
عدم استقرار ميزون
ينتج عن الجمع بين الجسيمات والجسيمات المضادةأن حياة أي ميزون تنتهي بفنائهم. يعتمد العمر على التفاعل الذي يتحكم في الاضمحلال.
- الميزونات التي تتحلل عبر قناة الإبادة "القوية" ، على سبيل المثال ، إلى الغلوونات مع الولادة اللاحقة لميزونات جديدة ، لا تعيش طويلاً - 10-20- 10- 21p. مثال على هذه الجسيمات هو الكواركونيا.
- الإبادة الكهرومغناطيسية شديدة أيضًا: عمر π0-meson ، الذي يهلك زوج الكوارك والكوارك المضاد إلى فوتونين باحتمال يقارب 99٪ ، على وشك 8 ∙ 10 -17s.
- يستمر الإبادة الضعيفة (الاضمحلال إلى لبتونات) بكثافة أقل بكثير. وبالتالي ، فإن البيون المشحون (π+- ud̄ - أو π-- dū) يعيش وقتًا طويلاً - في المتوسط 2.6 ∙ 10-8s وعادة ما تتحلل إلى ميون ونيوترينو (أو الجسيمات المضادة المقابلة).
معظم الميزونات هي ما يسمى بصدى الهادرون ، قصير العمر (10-22- 10-24ج) الظواهر التي تحدث في نطاقات طاقة عالية معينة ، على غرار الحالات المثارة للذرة. لم يتم تسجيلها على أجهزة الكشف ، ولكن يتم حسابها على أساس توازن الطاقة للتفاعل.
الدوران والزخم المداري والتكافؤ
على عكس الباريونات ، فإن الميزونات هي جسيمات أولية ذات قيمة عددية لرقم الدوران (0 أو 1) ، أي أنها بوزونات. الكواركات هي فرميونات ولها دوران نصف صحيح ½. إذا كانت لحظتا زخم الكوارك والكوارك المضاد متوازية ، فعندئذٍالمجموع - الميزون المغزلي - يساوي 1 ، إذا كان عكس الموازاة ، فسيكون مساوياً للصفر.
بسبب الدوران المتبادل لزوج من المكونات ، فإن الميزون له أيضًا رقم كمي مداري ، مما يساهم في كتلته. يحدد الزخم المداري والدوران الزخم الزاوي الكلي للجسيم ، المرتبط بمفهوم المكاني ، أو P-parity (تناظر معين لوظيفة الموجة فيما يتعلق بانعكاس المرآة). وفقًا للجمع بين الدوران S والداخلي (المرتبط بالإطار المرجعي للجسيم) P-parity ، يتم تمييز الأنواع التالية من الميزونات:
- المقياس الكاذب - الأخف وزنا (S=0 ، P=-1) ؛
- متجه (S=1 ، P=-1) ؛
- سلمي (S=0 ، P=1) ؛
- متجه زائف (S=1 ، P=1).
الأنواع الثلاثة الأخيرة هي ميزونات ضخمة جدًا ، وهي حالات عالية الطاقة.
التناظرات النظيرية والوحدة
لتصنيف الميزونات من الملائم استخدام رقم كمي خاص - الدوران النظيري. في العمليات القوية ، تشارك الجسيمات التي لها نفس قيمة isospin بشكل متماثل ، بغض النظر عن شحنتها الكهربائية ، ويمكن تمثيلها كحالات شحن مختلفة (إسقاطات isospin) لجسم واحد. تسمى مجموعة من هذه الجسيمات ، التي تكون متقاربة جدًا في الكتلة ، متشابهة متعددة. على سبيل المثال ، يشتمل isotriplet pion على ثلاث حالات: π+، π0و π--meson
يتم حساب قيمة isospin بالصيغة I=(N – 1) / 2 ، حيث N هو عدد الجسيمات في المضاعف. وبالتالي ، فإن isospin للبيون يساوي 1 ، وإسقاطاته Izبتكلفة خاصةالمساحة هي على التوالي +1 و 0 و -1. الميزونات الأربعة الغريبة - الكاونات - تشكل اثنين من الأشكال المتساوية: K+و K0مع isospin + والغرابة +1 ومضاعفة الجسيمات المضادة K -و K̄0، والتي تكون هذه القيم سالبة.
الشحنة الكهربائية للهادرونات (بما في ذلك الميزونات) Q مرتبطة بإسقاط isospin Izوما يسمى بالشحن المفرط Y (مجموع رقم الباريون وكل النكهات أعداد). يتم التعبير عن هذه العلاقة من خلال صيغة Nishijima – Gell-Mann: Q=Iz+ Y / 2. من الواضح أن جميع أعضاء جهاز واحد لديهم نفس الشحن الزائد. عدد الميزونات الباريونية هو صفر.
بعد ذلك ، يتم تجميع الميزونات مع دوران إضافي وتكافؤ في مجموعات فائقة. ثمانية ميزونات كاذبة تشكل ثماني بتات ، جسيمات متجهة تشكل نونيت (تسعة) ، وهكذا. هذا مظهر من مظاهر مستوى أعلى من التناظر يسمى الوحدوي.
الميزون والبحث عن فيزياء جديدة
حاليًا ، يبحث الفيزيائيون بنشاط عن الظواهر ، التي سيؤدي وصفها إلى توسيع النموذج القياسي وتجاوزه ببناء نظرية أعمق وأكثر عمومية للعالم الصغير - الفيزياء الجديدة. من المفترض أن النموذج القياسي سيدخلها كحالة محدودة منخفضة الطاقة. في هذا البحث ، تلعب دراسة الميزونات دورًا مهمًا.
ذات أهمية خاصة هي الميزونات الغريبة - وهي جسيمات ذات هيكل لا يتناسب مع إطار النموذج المعتاد. لذلك ، في هادرون الكبيرةأكد المصادم في عام 2014 وجود Z (4430) tetraquark ، وهو حالة منضمة من اثنين من أزواج ud̄cc̄ كوارك ومضاد الكوارك ، وهو منتج اضمحلال وسيط لميزون B الجميل. هذه الانحرافات مثيرة للاهتمام أيضًا من حيث الاكتشاف المحتمل لفئة افتراضية جديدة من الجسيمات - leptoquarks.
تتنبأ النماذج أيضًا بحالات غريبة أخرى يجب تصنيفها على أنها ميزونات ، لأنها تشارك في عمليات قوية ، ولكن ليس لديها عدد باريون ، مثل كرات الغراء ، التي تتكون فقط من الغلوونات بدون كواركات. يمكن لجميع هذه الأشياء تجديد معرفتنا بشكل كبير بطبيعة التفاعلات الأساسية والمساهمة في زيادة تطوير فيزياء العالم المجهري.
