באמצע המאה ה-20, המושג "גן חיות חלקיקים" הופיע בפיזיקה, כלומר מגוון של מרכיבים יסודיים של החומר, שבהם נתקלו מדענים לאחר שנוצרו מאיצים חזקים מספיק. אחד התושבים הרבים ביותר של "גן החיות" היו חפצים שנקראו מזוונים. משפחת חלקיקים זו, יחד עם בריונים, נכללת בקבוצה הגדולה של האדרונים. מחקרם איפשר לחדור לרמה עמוקה יותר של מבנה החומר ותרם לסדר הידע אודותיו לתיאוריה המודרנית של חלקיקי יסוד ואינטראקציות - המודל הסטנדרטי.
היסטוריית גילוי
בתחילת שנות ה-30 של המאה ה-20, לאחר שהתברר הרכב גרעין האטום, התעוררה השאלה לגבי אופי הכוחות שהבטיחו את קיומו. היה ברור שהאינטראקציה הקושרת נוקלונים חייבת להיות אינטנסיבית ביותר ומתבצעת באמצעות החלפה של חלקיקים מסוימים. חישובים שבוצעו בשנת 1934 על ידי התיאורטיקן היפני H. Yukawa הראו שעצמים אלה גדולים פי 200-300 מהאלקטרון במסה ו,בהתאמה, נחות פי כמה מהפרוטון. מאוחר יותר הם קיבלו את השם של מסונים, שפירושו ביוונית הוא "אמצע". עם זאת, הגילוי הישיר הראשון שלהם התברר כ"הצתה לא נכונה" בגלל הקרבה של המוני חלקיקים שונים מאוד.
בשנת 1936 התגלו בקרניים קוסמיות עצמים (הם נקראו mu-mesons) בעלי מסה התואמת לחישוביו של יוקאווה. נראה היה שהקוונטי המבוקש של הכוחות הגרעיניים נמצא. אבל אז התברר שמו-מזונים הם חלקיקים שאינם קשורים ליחסי הגומלין בין נוקלונים. הם, יחד עם האלקטרון והניטרינו, שייכים לסוג אחר של עצמים במיקרוקוסמוס - הלפטונים. השם של החלקיקים שונה למיואונים והחיפוש נמשך.
קוונטות יוקאווה התגלו רק ב-1947 וכונו "פי-מזונים", או פיונים. התברר שפי-מזון טעון חשמלי או ניטרלי הוא אכן החלקיק שהחילוף שלו מאפשר לנוקלונים להתקיים בגרעין.
מבנה מסון
התברר כמעט מיד: האדמוניות הגיעו ל"גן החיות של החלקיקים" לא לבד, אלא עם קרובי משפחה רבים. עם זאת, בשל מספרם ומגווןם של חלקיקים אלו ניתן היה לקבוע כי מדובר בשילובים של מספר קטן של עצמים יסודיים. התברר שהקוורקים הם אלמנטים מבניים כאלה.
מזון הוא מצב קשור של קווארק ואנטיקווארק (החיבור מתבצע באמצעות קוונטות של אינטראקציה חזקה - גלוונים). המטען ה"חזק" של קווארק הוא מספר קוונטי, המכונה בדרך כלל "צבע". עם זאת, כל האדרוניםומזונים ביניהם, חסרי צבע. מה זה אומר? מיסון יכול להיווצר מקווארק ואנטיקווארק מסוגים שונים (או, כמו שאומרים, טעמים, "טעמים"), אבל הוא תמיד משלב צבע ואנטי-צבע. לדוגמה, π+-meson נוצר על ידי זוג של u-quark - anti-d-quark (ud̄), והשילוב של מטעני הצבע שלהם יכול להיות "כחול - אנטי- כחול", "אדום - אנטי-אדום" או ירוק-אנטי-ירוק. חילופי הגלואונים משנה את צבע הקווארקים, בעוד שהמזון נשאר חסר צבע.
קווארקים של דורות מבוגרים, כמו s, c ו-b, נותנים את הטעמים המתאימים למזונים שהם יוצרים - מוזרות, קסם וקסם, המתבטאים במספרים הקוונטיים שלהם. המטען החשמלי השלם של המזון מורכב מהמטענים השבריים של החלקיקים והאנטי-חלקיקים היוצרים אותו. בנוסף לזוג הזה, הנקרא קווארקים ערכיים, המסון כולל הרבה זוגות וירטואליים ("ים") וגלואונים.
מסונים וכוחות יסוד
מסונים, או ליתר דיוק, הקווארקים המרכיבים אותם, משתתפים בכל סוגי האינטראקציות המתוארות במודל הסטנדרטי. עוצמת האינטראקציה קשורה ישירות לסימטריה של התגובות הנגרמות ממנה, כלומר לשימור של כמויות מסוימות.
תהליכים חלשים הם הכי פחות אינטנסיביים, הם חוסכים באנרגיה, מטען חשמלי, מומנטום, תנע זוויתי (ספין) - במילים אחרות, רק סימטריות אוניברסליות פועלות. באינטראקציה האלקטרומגנטית נשמרים גם המספרים הקוונטיים של השוויון והטעם של המזונים. אלו התהליכים שמשחקים תפקיד חשוב בתגובותדעיכה.
האינטראקציה החזקה היא הסימטרית ביותר, ומשמרת כמויות אחרות, במיוחד איזוספין. הוא אחראי לשמירה של נוקלונים בגרעין באמצעות חילופי יונים. על ידי פליטת וספיגה של פי-מזונים טעונים, הפרוטון והנייטרון עוברים טרנספורמציות הדדיות, ובמהלך החלפת חלקיק ניטרלי, כל אחד מהנוקלאון נשאר בעצמו. כיצד ניתן לייצג זאת ברמת הקווארקים מוצג באיור למטה.
האינטראקציה החזקה שולטת גם בפיזור של מיזונים על ידי נוקלונים, ייצורם בהתנגשויות האדרונים ותהליכים אחרים.
מהו קווארקוניום
השילוב של קווארק ואנטיקווארק באותו טעם נקרא קווארקוניה. מונח זה מיושם בדרך כלל על מזוונים המכילים c- ו-b-קווארקים מסיביים. ל-t-קווארק כבד במיוחד אין זמן להיכנס כלל למצב כבול, ומתפורר באופן מיידי לקלים יותר. הצירוף cc̄ נקרא צ'רמוניום, או חלקיק בעל קסם נסתר (J/ψ-meson); השילוב bb̄ הוא בוטמוניום, שיש לו קסם נסתר (Υ-meson). שניהם מאופיינים בנוכחות של מצבים מהדהדים - נרגשים - רבים.
חלקיקים הנוצרים על ידי רכיבי אור - uū, dd̄ או ss̄ - הם סופרפוזיציה (סופרפוזיציה) של טעמים, שכן המסות של הקווארקים הללו קרובים בערכם. לפיכך, המסון הנייטרלי π0 הוא סופרפוזיציה של המצבים uū ו-dd̄, שיש להם אותה קבוצה של מספרים קוונטיים.
אי-יציבות מסון
השילוב של חלקיק ואנטי-חלקיק מביא לכךשחייו של כל מסון מסתיימים בהשמדתם. משך החיים תלוי באיזו אינטראקציה שולטת בדעיכה.
- מסונים שמתפרקים דרך ערוץ ההשמדה ה"חזקה", למשל, לגלואונים עם לידתם של מסונים חדשים לאחר מכן, אינם חיים הרבה זמן - 10-20 - 10 - 21 עמ'. דוגמה לחלקיקים כאלה היא quarkonia.
- ההשמדה האלקטרומגנטית היא גם אינטנסיבית למדי: משך חייו של π0-meson, שצמד הקווארק-אנטיקווארק שלו משמיד לשני פוטונים בהסתברות של כמעט 99%, הוא בערך 8 ∙ 10 -17 s.
- השמדה חלשה (התפרקות ללפטונים) מתרחשת בהרבה פחות עוצמה. לפיכך, פיון טעון (π+ – ud̄ – או π- – dū) חי די הרבה זמן – בממוצע 2.6 ∙ 10-8 s ובדרך כלל מתכלה למיאון וניטרינו (או האנטי-חלקיקים המתאימים).
רוב המזונים הם מה שנקרא תהודה האדרונית, קצרת מועד (10-22 – 10-24 c) תופעות ש מתרחשים בטווחי אנרגיה גבוהים מסוימים, בדומה למצבים הנרגשים של האטום. הם אינם רשומים על הגלאים, אלא מחושבים על סמך מאזן האנרגיה של התגובה.
ספין, מומנטום מסלול ושוויון
בניגוד לבאריונים, המזונים הם חלקיקים יסודיים בעלי ערך שלם של מספר הספין (0 או 1), כלומר, הם בוזונים. קווארקים הם פרמיונים ויש להם ספין חצי שלם של ½. אם רגעי התנע של קווארק ואנטי-קווארק מקבילים, אז שלהםהסכום - ספין מסון - שווה ל-1, אם הוא אנטי מקביל, הוא יהיה שווה לאפס.
עקב מחזוריות הדדית של זוג רכיבים, למסון יש גם מספר קוונטי מסלולי, שתורם למסה שלו. המומנטום המסלולי והספין קובעים את התנע הזוויתי הכולל של החלקיק, הקשור למושג מרחבי, או P-parity (סימטריה מסוימת של פונקציית הגל ביחס להיפוך מראה). בהתאם לשילוב של ספין S ו-P-parity פנימי (קשור למסגרת הייחוס של החלקיק עצמו), מבדילים בין סוגי המזונים הבאים:
- pseudoscalar - הקל ביותר (S=0, P=-1);
- וקטור (S=1, P=-1);
- scalar (S=0, P=1);
- פסאודו-וקטור (S=1, P=1).
שלושת הסוגים האחרונים הם מזוונים מאסיביים מאוד, שהם מצבי אנרגיה גבוהה.
סימטריות איזוטופיות ויחידות
לסיווג של mesons נוח להשתמש במספר קוונטי מיוחד - ספין איזוטופי. בתהליכים חזקים, חלקיקים בעלי אותו ערך איזוספין משתתפים באופן סימטרי, ללא קשר למטען החשמלי שלהם, וניתן לייצג אותם כמצבי מטען שונים (השלכות איזוספין) של עצם אחד. קבוצה של חלקיקים כאלה, שהם קרובים מאוד במסתם, נקראת איזומולטיפלט. לדוגמה, איזוטריפלט הפיון כולל שלושה מצבים: π+, π0 ו-π--meson.
הערך של isospin מחושב לפי הנוסחה I=(N–1)/2, כאשר N הוא מספר החלקיקים במכפיל. לפיכך, האיזוספין של פיון שווה ל-1, וההטלות שלו Iz במטען מיוחדהרווחים הם +1, 0 ו-1 בהתאמה. ארבעת המזונים המוזרים - קאונים - יוצרים שני איזודובלטים: K+ ו-K0 עם איזוספין +½ ומוזרות +1 וכפילת האנטי-חלקיקים K- ו-K̄0, שעבורם ערכים אלו הם שליליים.
המטען החשמלי של האדרונים (כולל מזונים) Q קשור להשלכת האיזוספין Iz ולמה שנקרא מטען יתר Y (הסכום של מספר הבריון וכל הטעם מספרים). קשר זה בא לידי ביטוי בנוסחת Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. ברור שלכל האיברים במרבה אחת יש את אותו מטען יתר. מספר הבריון של המסונים הוא אפס.
לאחר מכן, המסונים מקובצים עם ספין נוסף ושוויון לכפולות-על. שמונה מזוונים פסאודו-סקלריים יוצרים אוקטטה, חלקיקים וקטורים יוצרים nonet (תשעה), וכן הלאה. זהו ביטוי של סימטריה ברמה גבוהה יותר הנקראת יחידה.
Mesons והחיפוש אחר פיזיקה חדשה
כיום, פיזיקאים מחפשים באופן פעיל אחר תופעות, שתיאורן יוביל להרחבת המודל הסטנדרטי וליציאה מעבר לו עם בניית תיאוריה עמוקה וכללית יותר של עולם המיקרו - פיזיקה חדשה. ההנחה היא שהמודל הסטנדרטי ייכנס אליו כמקרה מגביל, דל אנרגיה. בחיפוש זה, חקר המזונים ממלא תפקיד חשוב.
מעניינים במיוחד מזונים אקזוטיים - חלקיקים בעלי מבנה שאינו מתאים למסגרת של המודל הרגיל. אז, בהדרון הגדולCollider בשנת 2014 אישר את ה-Z(4430) tetraquark, מצב קשור של שני זוגות ud̄cc̄ קווארק-אנטיקווארק, תוצר ריקבון ביניים של meson B היפה. דעיכה אלו מעניינים גם במונחים של גילוי אפשרי של מחלקה חדשה היפותטית של חלקיקים - לפטוקווארקים.
מודלים גם מנבאים מצבים אקזוטיים אחרים שיש לסווג אותם כמזונים, מכיוון שהם משתתפים בתהליכים חזקים, אך יש להם מספר בריון אפס, כגון כדורי דבק, שנוצרו רק על ידי גלוונים ללא קווארקים. כל אובייקטים כאלה יכולים לחדש באופן משמעותי את הידע שלנו על אופי האינטראקציות הבסיסיות ולתרום להמשך הפיתוח של הפיזיקה של עולם המיקרו.
