Au milieu du XXe siècle, le concept de « zoo de particules » est apparu en physique, c'est-à-dire une variété de constituants élémentaires de la matière, que les scientifiques ont rencontrés après la création d'accélérateurs suffisamment puissants. L'un des habitants les plus nombreux du "zoo" était des objets appelés mésons. Cette famille de particules, avec les baryons, fait partie du grand groupe des hadrons. Leur étude a permis de pénétrer à un niveau plus profond de la structure de la matière et a contribué à l'ordonnancement des connaissances à son sujet dans la théorie moderne des particules fondamentales et des interactions - le modèle standard.
Historique des découvertes
Au début des années 1930, après que la composition du noyau atomique a été clarifiée, la question s'est posée de la nature des forces qui assuraient son existence. Il était clair que l'interaction qui lie les nucléons devait être extrêmement intense et s'effectuer par l'échange de certaines particules. Des calculs effectués en 1934 par le théoricien japonais H. Yukawa ont montré que ces objets sont 200 à 300 fois plus gros que l'électron en masse et,respectivement, plusieurs fois inférieur au proton. Plus tard, ils ont reçu le nom de mésons, qui signifie en grec "milieu". Cependant, leur première détection directe s'est avérée être un "raté" dû à la proximité des masses de particules très différentes.
En 1936, des objets (appelés mésons mu) avec une masse correspondant aux calculs de Yukawa ont été découverts dans les rayons cosmiques. Il semblait que le quantum de forces nucléaires recherché avait été trouvé. Mais ensuite, il s'est avéré que les mésons mu sont des particules qui ne sont pas liées aux interactions d'échange entre nucléons. Ils appartiennent, avec l'électron et le neutrino, à une autre classe d'objets du microcosme - les leptons. Les particules ont été renommées muons et la recherche s'est poursuivie.
Les quanta Yukawa n'ont été découverts qu'en 1947 et ont été appelés "pi-mésons", ou pions. Il s'est avéré qu'un méson pi électriquement chargé ou neutre est bien la particule dont l'échange permet aux nucléons de coexister dans le noyau.
Structure des mésons
C'est devenu clair presque immédiatement: les pivoines sont venues au "zoo des particules" non pas seules, mais avec de nombreux parents. Cependant, c'est grâce au nombre et à la variété de ces particules qu'il a été possible d'établir qu'elles sont des combinaisons d'un petit nombre d'objets fondamentaux. Les quarks se sont avérés être de tels éléments structurels.
Meson est un état lié d'un quark et d'un antiquark (la liaison est réalisée au moyen de quanta d'interaction forte - gluons). La charge "forte" d'un quark est un nombre quantique, appelé classiquement "couleur". Cependant, tous les hadronset les mésons parmi eux, sont incolores. Qu'est-ce que ça veut dire? Un méson peut être formé par un quark et un antiquark de différents types (ou, comme on dit, saveurs, «saveurs»), mais il combine toujours couleur et anticouleur. Par exemple, le méson π+ est formé par une paire de quark u - anti-quark d (ud̄), et la combinaison de leurs charges de couleur peut être "bleu - anti- bleu", "rouge - anti-rouge" ou vert-anti-vert. L'échange de gluons modifie la couleur des quarks, tandis que le méson reste incolore.
Les quarks des générations plus anciennes, tels que s, c et b, donnent les saveurs correspondantes aux mésons qu'ils forment - étrangeté, charme et charme, exprimés par leurs propres nombres quantiques. La charge électrique entière du méson est constituée des charges fractionnaires des particules et antiparticules qui le composent. En plus de cette paire, appelée quarks de valence, le méson comprend de nombreuses paires virtuelles ("mer") et des gluons.
Mesons et forces fondamentales
Les mésons, ou plutôt les quarks qui les composent, participent à tous les types d'interactions décrites par le modèle standard. L'intensité de l'interaction est directement liée à la symétrie des réactions qu'elle provoque, c'est-à-dire à la conservation de certaines quantités.
Les processus faibles sont les moins intenses, ils conservent l'énergie, la charge électrique, la quantité de mouvement, le moment cinétique (spin) - en d'autres termes, seules les symétries universelles agissent. Dans l'interaction électromagnétique, les nombres quantiques de parité et de saveur des mésons sont également conservés. Ce sont les processus qui jouent un rôle important dans les réactionsdéclin.
L'interaction forte est la plus symétrique, préservant les autres grandeurs, en particulier l'isospin. Il est responsable de la rétention des nucléons dans le noyau par échange d'ions. En émettant et en absorbant des mésons pi chargés, le proton et le neutron subissent des transformations mutuelles, et lors de l'échange d'une particule neutre, chacun des nucléons reste lui-même. La figure ci-dessous montre comment cela peut être représenté au niveau des quarks.
L'interaction forte régit également la diffusion des mésons par les nucléons, leur production dans les collisions de hadrons et d'autres processus.
Qu'est-ce que le quarkonium
La combinaison d'un quark et d'un antiquark de même saveur s'appelle quarkonia. Ce terme est généralement appliqué aux mésons qui contiennent des quarks c et b massifs. Un quark t extrêmement lourd n'a pas du tout le temps d'entrer dans un état lié, se désintégrant instantanément en plus légers. La combinaison cc̄ est appelée charmonium, ou une particule au charme caché (méson J/ψ); la combinaison bb̄ est le bottomonium, qui a un charme caché (Υ-méson). Les deux sont caractérisés par la présence de nombreux états résonnants - excités.
Les particules formées par des composants légers - uū, dd̄ ou ss̄ - sont une superposition (superposition) de saveurs, puisque les masses de ces quarks sont proches en valeur. Ainsi, le méson neutre π0 est une superposition des états uū et dd̄, qui ont le même ensemble de nombres quantiques.
Instabilité des mésons
La combinaison de particules et d'antiparticules donneque la vie de tout méson se termine par son annihilation. La durée de vie dépend de l'interaction qui contrôle la désintégration.
- Les mésons qui se désintègrent par le canal de l'annihilation "forte", disons, en gluons avec la naissance subséquente de nouveaux mésons, ne vivent pas très longtemps - 10-20 - 10 - 21 p. Un exemple de telles particules est le quarkonia.
- L'annihilation électromagnétique est également assez intense: la durée de vie du méson π0, dont la paire quark-antiquark s'annihile en deux photons avec une probabilité de près de 99 %, est d'environ 8 ∙ 10 -17 s.
- L'annihilation faible (désintégration en leptons) se déroule avec beaucoup moins d'intensité. Ainsi, un pion chargé (π+ – ud̄ – ou π- – dū) vit assez longtemps – en moyenne 2,6 ∙ 10-8 s et se désintègre généralement en un muon et un neutrino (ou les antiparticules correspondantes).
La plupart des mésons sont ce qu'on appelle des résonances hadroniques, des phénomènes de courte durée (10-22 – 10-24 c) qui se produisent dans certaines gammes de haute énergie, similaires aux états excités de l'atome. Ils ne sont pas enregistrés sur les détecteurs, mais sont calculés en fonction du bilan énergétique de la réaction.
Spin, moment orbital et parité
Contrairement aux baryons, les mésons sont des particules élémentaires avec une valeur entière du nombre de spin (0 ou 1), c'est-à-dire que ce sont des bosons. Les quarks sont des fermions et ont un spin demi-entier ½. Si les moments d'impulsion d'un quark et d'un antiquark sont parallèles, alors leursla somme - spin méson - est égale à 1, si elle est antiparallèle, elle sera égale à zéro.
En raison de la circulation mutuelle d'une paire de composants, le méson possède également un nombre quantique orbital, qui contribue à sa masse. Le moment orbital et le spin déterminent le moment cinétique total de la particule, associé au concept de spatialité, ou P-parité (une certaine symétrie de la fonction d'onde par rapport à l'inversion du miroir). Conformément à la combinaison du spin S et de la parité P interne (liée au propre cadre de référence de la particule), les types de mésons suivants sont distingués:
- pseudoscalaire - le plus léger (S=0, P=-1);
- vecteur (S=1, P=-1);
- scalaire (S=0, P=1);
- pseudo-vecteur (S=1, P=1).
Les trois derniers types sont des mésons très massifs, qui sont des états de haute énergie.
Symétries isotopiques et unitaires
Pour la classification des mésons, il est pratique d'utiliser un nombre quantique spécial - le spin isotopique. Dans les processus forts, les particules ayant la même valeur d'isospin participent de manière symétrique, quelle que soit leur charge électrique, et peuvent être représentées comme différents états de charge (projections d'isospin) d'un objet. Un ensemble de telles particules, qui sont très proches en masse, est appelé un isomultiplet. Par exemple, l'isotriplet du pion comprend trois états: π+, π0 et π--meson.
La valeur d'isospin est calculée par la formule I=(N–1)/2, où N est le nombre de particules dans le multiplet. Ainsi, l'isospin d'un pion est égal à 1, et ses projections Iz dans une charge spécialeespace sont respectivement +1, 0 et -1. Les quatre mésons étranges - les kaons - forment deux isodoublets: K+ et K0 avec isospin +½ et étrangeté +1 et le doublet d'antiparticules K- et K̄0, pour lesquels ces valeurs sont négatives.
La charge électrique des hadrons (y compris les mésons) Q est liée à la projection isospin Iz et à la soi-disant hypercharge Y (la somme du nombre de baryons et de toutes les saveurs Nombres). Cette relation est exprimée par la formule de Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Il est clair que tous les membres d'un multiplet ont la même hypercharge. Le nombre baryonique des mésons est zéro.
Ensuite, les mésons sont regroupés avec un spin et une parité supplémentaires en supermultiplets. Huit mésons pseudoscalaires forment un octet, les particules vectorielles forment un nonet (neuf), et ainsi de suite. C'est une manifestation d'une symétrie de niveau supérieur appelée unitaire.
Les mésons et la recherche de la Nouvelle Physique
Actuellement, les physiciens recherchent activement des phénomènes dont la description conduirait à l'expansion du Modèle Standard et à le dépasser avec la construction d'une théorie plus profonde et plus générale du micromonde - la Nouvelle Physique. On suppose que le modèle standard y entrera comme un cas limite à faible énergie. Dans cette recherche, l'étude des mésons joue un rôle important.
Les mésons exotiques présentent un intérêt particulier - des particules dont la structure ne rentre pas dans le cadre du modèle habituel. Ainsi, au Grand HadronLe collisionneur de 2014 a confirmé le tétraquark Z(4430), un état lié de deux paires quark-antiquark ud̄cc̄, un produit de désintégration intermédiaire du beau méson B. Ces désintégrations sont également intéressantes en termes de découverte possible d'une nouvelle classe hypothétique de particules - les leptoquarks.
Les modèles prédisent également d'autres états exotiques qui devraient être classés comme mésons, car ils participent à des processus forts, mais ont un nombre de baryons nul, comme les boules de glu, formées uniquement de gluons sans quarks. Tous ces objets peuvent considérablement reconstituer notre connaissance de la nature des interactions fondamentales et contribuer au développement ultérieur de la physique du micromonde.
