A mediados del siglo XX, apareció en la física el concepto de "zoológico de partículas", que significa una variedad de constituyentes elementales de la materia, que los científicos encontraron después de que se crearon aceleradores lo suficientemente potentes. Uno de los habitantes más numerosos del "zoológico" eran unos objetos llamados mesones. Esta familia de partículas, junto con los bariones, se incluye en el gran grupo de los hadrones. Su estudio hizo posible penetrar a un nivel más profundo de la estructura de la materia y contribuyó a ordenar el conocimiento sobre ella en la teoría moderna de partículas e interacciones fundamentales: el Modelo Estándar.
Historial de descubrimientos
A principios de la década de 1930, después de aclararse la composición del núcleo atómico, surgió la pregunta sobre la naturaleza de las fuerzas que aseguraban su existencia. Estaba claro que la interacción que une a los nucleones debe ser extremadamente intensa y llevarse a cabo mediante el intercambio de ciertas partículas. Los cálculos realizados en 1934 por el teórico japonés H. Yukawa mostraron que estos objetos son 200-300 veces más grandes que el electrón en masa y,respectivamente, varias veces inferior al protón. Posteriormente recibieron el nombre de mesones, que en griego significa "medio". Sin embargo, su primera detección directa resultó ser un "fallo de encendido" debido a la proximidad de las masas de partículas muy diferentes.
En 1936, se descubrieron en los rayos cósmicos objetos (llamados mesones mu) con una masa correspondiente a los cálculos de Yukawa. Parecía que se había encontrado el anhelado cuanto de fuerzas nucleares. Pero luego resultó que los mesones mu son partículas que no están relacionadas con las interacciones de intercambio entre nucleones. Ellos, junto con el electrón y el neutrino, pertenecen a otra clase de objetos en el microcosmos: los leptones. Las partículas fueron rebautizadas como muones y la búsqueda continuó.
Los
Yukawa quanta fueron descubiertos recién en 1947 y fueron llamados "pi-mesones", o piones. Resultó que un mesón pi cargado eléctricamente o neutro es de hecho la partícula cuyo intercambio permite que los nucleones coexistan en el núcleo.
Estructura del mesón
Quedó claro casi de inmediato: las peonías llegaron al "zoológico de partículas" no solas, sino con numerosos parientes. Sin embargo, fue por la cantidad y variedad de estas partículas que se pudo establecer que son combinaciones de un pequeño número de objetos fundamentales. Los quarks resultaron ser tales elementos estructurales.
Mesón es un estado ligado de un quark y un antiquark (la conexión se realiza mediante cuantos de interacción fuerte - gluones). La carga "fuerte" de un quark es un número cuántico, llamado convencionalmente "color". Sin embargo, todos los hadronesy mesones entre ellos, son incoloros. ¿Qué significa? Un mesón puede estar formado por un quark y un antiquark de diferentes tipos (o, como se suele decir, flavors, “sabores”), pero siempre combina color y anticolor. Por ejemplo, el mesón π+ está formado por un par de quarks u - anti-quark d (ud̄), y la combinación de sus cargas de color puede ser "azul - anti- azul", "rojo - anti-rojo" o verde-anti-verde. El intercambio de gluones cambia el color de los quarks, mientras que el mesón permanece incoloro.
Los quarks de generaciones anteriores, como s, c y b, dan los sabores correspondientes a los mesones que forman: extrañeza, encanto y encanto, expresados por sus propios números cuánticos. La carga eléctrica entera del mesón está formada por las cargas fraccionarias de las partículas y antipartículas que lo forman. Además de este par, llamado quarks de valencia, el mesón incluye muchos gluones y pares virtuales ("mar").
Mesones y fuerzas fundamentales
Los mesones, o mejor dicho, los quarks que los componen, participan en todo tipo de interacciones descritas por el Modelo Estándar. La intensidad de la interacción está directamente relacionada con la simetría de las reacciones que provoca, es decir, con la conservación de ciertas cantidades.
Los procesos débiles son los menos intensos, conservan la energía, la carga eléctrica, el momento, el momento angular (spin), es decir, solo actúan las simetrías universales. En la interacción electromagnética, los números cuánticos de paridad y sabor de los mesones también se conservan. Estos son los procesos que juegan un papel importante en las reacciones.decadencia.
La interacción fuerte es la más simétrica, conservando otras cantidades, en particular, el isospín. Es responsable de la retención de nucleones en el núcleo a través del intercambio iónico. Al emitir y absorber pi-mesones cargados, el protón y el neutrón experimentan transformaciones mutuas, y durante el intercambio de una partícula neutra, cada uno de los nucleones sigue siendo el mismo. En la siguiente figura se muestra cómo se puede representar esto al nivel de los quarks.
La interacción fuerte también gobierna la dispersión de mesones por nucleones, su producción en colisiones de hadrones y otros procesos.
¿Qué es el quarkonio?
La combinación de un quark y un antiquark del mismo sabor se llama quarkonia. Este término generalmente se aplica a los mesones que contienen quarks c y b masivos. Un quark t extremadamente pesado no tiene tiempo de entrar en un estado ligado, decayendo instantáneamente en otros más ligeros. La combinación cc̄ se llama charmonium, o partícula con encanto oculto (J/ψ-mesón); la combinación bb̄ es bottomonium, que tiene un encanto oculto (Υ-mesón). Ambos se caracterizan por la presencia de muchos estados resonantes - excitados.
Las partículas formadas por componentes ligeros - uū, dd̄ o ss̄ - son una superposición (superposición) de sabores, ya que las masas de estos quarks tienen un valor cercano. Por lo tanto, el mesón neutro π0 es una superposición de los estados uū y dd̄, que tienen el mismo conjunto de números cuánticos.
Inestabilidad del mesón
La combinación de partículas y antipartículas da como resultadoque la vida de cualquier mesón termina en su aniquilación. El tiempo de vida depende de qué interacción controla el decaimiento.
- Los mesones que se descomponen a través del canal de aniquilación "fuerte", por ejemplo, en gluones con el posterior nacimiento de nuevos mesones, no viven mucho - 10-20 - 10 - 21 pág. Un ejemplo de tales partículas es quarkonia.
- La aniquilación electromagnética también es bastante intensa: el tiempo de vida del mesón π0, cuyo par quark-antiquark se aniquila en dos fotones con una probabilidad de casi el 99%, es de aproximadamente 8 ∙ 10 -17 s.
- La aniquilación débil (desintegración en leptones) procede con mucha menos intensidad. Por lo tanto, un pión cargado (π+ – ud̄ – o π- – dū) vive bastante tiempo – en promedio 2.6 ∙ 10-8 s y normalmente se desintegra en un muón y un neutrino (o las antipartículas correspondientes).
La mayoría de los mesones son las llamadas resonancias de hadrones, fenómenos de corta duración (10-22 – 10-24 c) que ocurren en ciertos rangos de alta energía, similares a los estados excitados del átomo. No se registran en los detectores, sino que se calculan en función del balance de energía de la reacción.
Spin, momento orbital y paridad
A diferencia de los bariones, los mesones son partículas elementales con un valor entero del número de espín (0 o 1), es decir, son bosones. Los quarks son fermiones y tienen un espín medio entero. Si los momentos de cantidad de movimiento de un quark y un antiquark son paralelos, entonces sula suma - espín del mesón - es igual a 1, si es antiparalela, será igual a cero.
Debido a la circulación mutua de un par de componentes, el mesón también tiene un número cuántico orbital, que contribuye a su masa. El momento orbital y el espín determinan el momento angular total de la partícula, asociado con el concepto de paridad espacial o P (una cierta simetría de la función de onda con respecto a la inversión del espejo). De acuerdo con la combinación del espín S y la paridad P interna (relacionada con el propio marco de referencia de la partícula), se distinguen los siguientes tipos de mesones:
- pseudoescalar - el más ligero (S=0, P=-1);
- vector (S=1, P=-1);
- escalar (S=0, P=1);
- pseudo-vector (S=1, P=1).
Los últimos tres tipos son mesones muy masivos, que son estados de alta energía.
Simetrías isotópicas y unitarias
Para la clasificación de los mesones es conveniente utilizar un número cuántico especial: el espín isotópico. En procesos fuertes, las partículas con el mismo valor de isospín participan simétricamente, independientemente de su carga eléctrica, y pueden representarse como diferentes estados de carga (proyecciones de isospín) de un objeto. Un conjunto de tales partículas, que tienen una masa muy similar, se denomina isomultiplete. Por ejemplo, el isotriplete de piones incluye tres estados: π+, π0 y π--mesón.
El valor de isospín se calcula mediante la fórmula I=(N–1)/2, donde N es el número de partículas en el multiplete. Así, el isospín de un pión es igual a 1, y sus proyecciones Iz en una carga especialespacio son respectivamente +1, 0 y -1. Los cuatro mesones extraños - kaones - forman dos isodubletes: K+ y K0 con isospin +½ y extrañeza +1 y el doblete de antipartículas K- y K̄0, para los cuales estos valores son negativos.
La carga eléctrica de los hadrones (incluidos los mesones) Q está relacionada con la proyección de isospín Iz y la llamada hipercarga Y (la suma del número bariónico y todos los sabores números). Esta relación se expresa mediante la fórmula de Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Está claro que todos los miembros de un multiplete tienen la misma hipercarga. El número bariónico de mesones es cero.
Luego, los mesones se agrupan con espín y paridad adicionales en supermultipletes. Ocho mesones pseudoescalares forman un octeto, las partículas vectoriales forman un cero (nueve), y así sucesivamente. Esta es una manifestación de una simetría de nivel superior llamada unitaria.
Mesones y la búsqueda de Nueva Física
Actualmente, los físicos están buscando activamente fenómenos cuya descripción llevaría a la expansión del Modelo Estándar y a ir más allá con la construcción de una teoría más profunda y general del micromundo: la Nueva Física. Se supone que el Modelo Estándar lo ingresará como un caso límite de baja energía. En esta búsqueda, el estudio de los mesones juega un papel importante.
De particular interés son los mesones exóticos, partículas con una estructura que no encaja en el marco del modelo habitual. Entonces, en el Gran HadronCollider en 2014 confirmó el tetraquark Z(4430), un estado ligado de dos pares de quark-antiquark ud̄cc̄, un producto de decaimiento intermedio del hermoso mesón B. Estas desintegraciones también son interesantes en términos del posible descubrimiento de una nueva clase hipotética de partículas: los leptoquarks.
Los modelos también predicen otros estados exóticos que deberían clasificarse como mesones, ya que participan en procesos fuertes, pero tienen un número bariónico cero, como las bolas de pegamento, formadas únicamente por gluones sin quarks. Todos estos objetos pueden reponer significativamente nuestro conocimiento de la naturaleza de las interacciones fundamentales y contribuir a un mayor desarrollo de la física del micromundo.
