20. sajandi keskpaigaks ilmus füüsikasse mõiste "osakeste loomaaed", mis tähendab mitmesuguseid mateeria elementaarseid koostisosi, millega teadlased kohtusid pärast piisav alt võimsate kiirendite loomist. "Loomaaia" üks arvukamaid asukaid olid objektid, mida kutsuti mesoniteks. See osakeste perekond kuulub koos barüonidega suurde hadronite rühma. Nende uuring võimaldas tungida aine struktuuri sügavamale tasemele ja aitas kaasa teadmiste järjestamisele põhiosakeste ja interaktsioonide tänapäevasesse teooriasse - standardmudelisse.
Avastuste ajalugu
1930. aastate alguses, pärast aatomituuma koostise selgitamist, tekkis küsimus selle olemasolu taganud jõudude olemuse kohta. Oli selge, et nukleoneid siduv interaktsioon peab olema äärmiselt intensiivne ja toimuma teatud osakeste vahetuse kaudu. Jaapani teoreetiku H. Yukawa 1934. aastal tehtud arvutused näitasid, et need objektid on massilt 200–300 korda suuremad kui elektron javastav alt mitu korda madalam kui prooton. Hiljem said nad mesonite nime, mis kreeka keeles tähendab "keskmine". Nende esimene otsene tuvastamine osutus aga väga erinevate osakeste masside läheduse tõttu "süütetõrkeks".
1936. aastal avastati kosmilistes kiirtes Yukawa arvutustele vastava massiga objekte (neid nimetati mu-mesoniteks). Tundus, et otsitud tuumajõudude kvantum on leitud. Siis aga selgus, et mu-mesonid on osakesed, mis ei ole seotud nukleonide vaheliste vahetusinteraktsioonidega. Nad kuuluvad koos elektroni ja neutriinoga teise mikrokosmose objektide klassi – leptonitesse. Osakesed nimetati ümber müüoniteks ja otsingud jätkusid.
Yukawa kvantid avastati alles 1947. aastal ja neid kutsuti "pi-mesoniteks" ehk pionideks. Selgus, et elektriliselt laetud või neutraalne pi-meson on tõepoolest osake, mille vahetus võimaldab nukleonidel tuumas koos eksisteerida.
Meson struktuur
Peaaegu kohe sai selgeks: pojengid tulid “osakeste loomaaeda” mitte üksi, vaid koos arvukate sugulastega. Kuid tänu nende osakeste arvule ja mitmekesisusele oli võimalik kindlaks teha, et need on väikese arvu põhiobjektide kombinatsioonid. Sellisteks struktuurielementideks osutusid kvargid.
Meson on kvargi ja antikvargi seotud olek (ühendus toimub tugeva interaktsiooni kvantide – gluoonide – abil). Kvargi "tugev" laeng on kvantarv, mida tinglikult nimetatakse "värviks". Samas kõik hadronidja mesonid nende hulgas on värvitud. Mida see tähendab? Mesoni võivad moodustada erinevat tüüpi kvark ja antikvark (või, nagu öeldakse, maitsed, “maitsed”), kuid see ühendab alati värvi ja antivärvi. Näiteks π+-meson moodustub paarist u-kvark - anti-d-kvark (ud̄) ja nende värvilaengute kombinatsioon võib olla "sinine - anti- sinine", "punane - anti-punane" või roheline-anti-roheline. Gluoonide vahetus muudab kvarkide värvi, samas kui meson jääb värvituks.
Vanemate põlvkondade kvargid, nagu s, c ja b, annavad nende poolt moodustatavatele mesonitele vastavad maitsed – kummalisuse, võlu ja võlu, mida väljendavad nende endi kvantarvud. Mesoni täisarvuline elektrilaeng koosneb seda moodustavate osakeste ja antiosakeste fraktsioonilistest laengutest. Lisaks sellele paarile, mida nimetatakse valentskvarkideks, sisaldab meson palju ("mere") virtuaalseid paare ja gluuone.
Mesonid ja põhijõud
Mesonid või õigemini neid moodustavad kvargid osalevad kõigis standardmudelis kirjeldatud interaktsioonides. Interaktsiooni intensiivsus on otseselt seotud sellest põhjustatud reaktsioonide sümmeetriaga, st teatud koguste säilimisega.
Nõrgad protsessid on kõige vähem intensiivsed, need hoiavad kokku energiat, elektrilaengut, impulssi, nurkmomenti (spin) – teisisõnu toimivad ainult universaalsed sümmeetriad. Elektromagnetilises interaktsioonis säilivad ka mesonite paarsus ja maitsekvantarvud. Need on protsessid, mis mängivad reaktsioonides olulist rollilagunemine.
Tugev interaktsioon on kõige sümmeetrilisem, säilitades muud kogused, eriti isospini. See vastutab nukleonide tuumas kinnipidamise eest ioonivahetuse kaudu. Laetud pi-mesoneid kiirgades ja neeldudes toimuvad prootoni ja neutroni vastastikused muundumised ning neutraalse osakese vahetuse käigus jääb kumbki nukleon iseendaks. Kuidas seda kvarkide tasemel esitada, on näidatud alloleval joonisel.
Tugev vastastikmõju reguleerib ka mesonite hajumist nukleonide poolt, nende teket hadronite kokkupõrgetes ja muudes protsessides.
Mis on kvarkoonium
Sama maitsega kvargi ja antikvargi kombinatsiooni nimetatakse kvarkooniaks. Seda terminit kasutatakse tavaliselt mesonite kohta, mis sisaldavad massiivseid c- ja b-kvarke. Äärmiselt raskel t-kvarkil pole üldse aega seotud olekusse minna, lagunedes koheselt kergemateks. Kombinatsiooni cc̄ nimetatakse šarmooniumiks ehk peidetud võluga osakeseks (J/ψ-meson); kombinatsioon bb̄ on bottomoonium, milles on varjatud võlu (Υ-meson). Mõlemat iseloomustab paljude resonantssete – ergastatud – olekute olemasolu.
Kergetest komponentidest - uū, dd̄ või ss̄ - moodustunud osakesed on maitsete superpositsioon (superpositsioon), kuna nende kvarkide massid on väärtuselt lähedased. Seega on neutraalne π0-meson superpositsioon olekutest uū ja dd̄, millel on sama kvantarvude hulk.
Mesoni ebastabiilsus
Osakeste ja antiosakeste kombinatsioon annab tulemusekset iga mesoni elu lõpeb nende hävimisega. Eluiga sõltub sellest, milline interaktsioon reguleerib lagunemist.
- Mesonid, mis lagunevad läbi "tugeva" annihilatsiooni kanali, näiteks gluoonideks koos järgnevate uute mesonite sünniga, ei ela kuigi kaua - 10-20 - 10 - 21 lk. Selliste osakeste näide on kvarkoonium.
- Elektromagnetiline annihilatsioon on samuti üsna intensiivne: π0-mesoni eluiga, mille kvark-antikvark paar annihileerub kaheks footoniks peaaegu 99% tõenäosusega, on umbes 8 ∙ 10 -17 s.
- Nõrk hävitamine (lagunemine leptoniteks) toimub palju väiksema intensiivsusega. Seega elab laetud pioon (π+ – ud̄ – või π- – dū) üsna kaua – keskmiselt 2,6 ∙ 10-8 s ja laguneb tavaliselt müüoniks ja neutriinoks (või vastavateks antiosakesteks).
Enamik mesoneid on nn hadroni resonants, lühiajalised (10-22 – 10-24 c) nähtused, mis esinevad teatud kõrge energiaga vahemikes, sarnaselt aatomi ergastatud olekutega. Neid ei registreerita detektoritel, vaid arvutatakse reaktsiooni energiabilansi alusel.
Pöörlemine, orbiidi impulss ja paarsus
Erinev alt barüonitest on mesonid elementaarosakesed, mille pöörlemisarv on täisarv (0 või 1), see tähendab, et nad on bosonid. Kvargid on fermioonid ja nende pöörlemissagedus on pooltäisarv. Kui kvargi ja antikvargi impulsimomendid on paralleelsed, siis nendesumma - meson spin - on võrdne 1-ga, kui see on antiparalleel, võrdub see nulliga.
Kontponendipaari vastastikuse ringluse tõttu on mesonil ka orbitaalkvantarv, mis aitab kaasa selle massile. Orbitaalmoment ja spinn määravad osakese kogu nurkimpulsi, mis on seotud ruumilise ehk P-paarsuse mõistega (lainefunktsiooni teatav sümmeetria peegli inversiooni suhtes). Vastav alt spin S ja sisemise (seotud osakese enda tugiraamistikuga) P-paarsuse kombinatsioonile eristatakse järgmist tüüpi mesoneid:
- pseudoskalaar – kõige heledam (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalaar (S=0, P=1);
- pseudovektor (S=1, P=1).
Kolm viimast tüüpi on väga massiivsed mesonid, mis on suure energiaga olekud.
Isotoopsed ja unitaarsed sümmeetriad
Mesonite klassifitseerimiseks on mugav kasutada spetsiaalset kvantarvu – isotoopspinni. Tugevates protsessides osalevad sama isospini väärtusega osakesed sümmeetriliselt, sõltumata nende elektrilaengust ja neid saab esitada ühe objekti erinevate laenguolekutena (isospini projektsioonidena). Selliste osakeste kogumit, mis on massilt väga lähedased, nimetatakse isomultipletiks. Näiteks pioni isotriplet sisaldab kolme olekut: π+, π0 ja π--meson.
Isospini väärtus arvutatakse valemiga I=(N–1)/2, kus N on osakeste arv multipletis. Seega on pioni isospin 1 ja selle projektsioonid Iz erilaengustühikud on vastav alt +1, 0 ja -1. Neli kummalist mesonit – kaonid – moodustavad kaks isodubletti: K+ ja K0 koos isospin +½ ja kummalisusega +1 ning antiosakeste dubletiga K- ja K̄0, mille puhul need väärtused on negatiivsed.
Hadronite (kaasa arvatud mesonite) elektrilaeng Q on seotud isospini projektsiooniga Iz ja nn hüperlaenguga Y (barüoniarvu ja kogu maitse summa numbrid). Seda seost väljendab Nishijima-Gell-Manni valem: Q=Iz + Y/2. On selge, et ühe multipleti kõigil liikmetel on sama hüperlaeng. Mesonite barüoniarv on null.
Seejärel rühmitatakse mesonid täiendava spinni ja paarsusega supermultiplettideks. Kaheksa pseudoskalaarset mesonit moodustavad okteti, vektorosakesed noneti (üheksa) jne. See on kõrgema taseme sümmeetria, mida nimetatakse unitaarseks, ilming.
Mesonid ja uue füüsika otsing
Praegu otsivad füüsikud aktiivselt nähtusi, mille kirjeldamine tooks kaasa Standardmudeli laienemise ja sellest kaugemale jõudmise mikromaailma sügavama ja üldisema teooria – New Physics – ehitamisega. Eeldatakse, et standardmudel sisestab selle piirava, vähese energiatarbega juhtumina. Selles otsingus mängib olulist rolli mesonite uurimine.
Erilist huvi pakuvad eksootilised mesonid – osakesed, mille struktuur ei mahu tavapärase mudeli raamidesse. Niisiis, Suure Hadroni juuresCollider kinnitas 2014. aastal Z(4430) tetrakvarki, mis on kahe ud̄cc̄ kvark-antikvark paari seotud olek, kauni B-mesoni lagunemise vaheprodukt. Need lagunemised on huvitavad ka hüpoteetilise uue osakeste klassi – leptokvarkide – võimaliku avastamise seisukohast.
Mudelid ennustavad ka teisi eksootilisi olekuid, mida tuleks klassifitseerida mesoniteks, kuna need osalevad tugevates protsessides, kuid neil on nullbarüonarv, näiteks liimipallid, mille moodustavad ainult kvarkideta gluoonid. Kõik sellised objektid võivad märkimisväärselt täiendada meie teadmisi fundamentaalsete interaktsioonide olemuse kohta ja aidata kaasa mikromaailma füüsika edasisele arengule.
