Mezonok — kvark–antikvark részecskék: meghatározás és tulajdonságok
Mezonok: kvark–antikvark párként működő szubatomi részecskék — meghatározás, szerkezet, bomlás és alapvető tulajdonságok érthető, részletes ismertetése.
A mezonok olyan szubatomi részecskék, amelyek egy kvarkból és egy antikvarkból állnak. A kvarkok és antikvarkok a kvarkmodell szerinti alapvető építőelemek, és kölcsönhatásukról a színtöltés (a kvantumkrómodinamika, QCD) gondoskodik: a kvark és az antikvark szín–antiszín kombinációja színtelen (szingulett) állapotot ad, ami megengedi a megkötött állapot, a mezon létrejöttét. A kvarkok szabad állapotban nem figyelhetők meg a színtöltés miatti bezáródás (konfinement) miatt.
A mezonok boszonszerű részecskék, mert fermion (kvark) és antifermion (antikvark) párokból állnak, és az összspinuk egész szám lehet (például 0 vagy 1). Az antikvark nem „fordított spinű” megfelelője a kvarknak: az antirészecskék spinje ugyanakkora (fél egységű lehet), de más kvantumszámokban (például elektromos töltés, íz, bájtszám stb.) ellentétes előjelűek. A kvark és az antikvark spinkombinációja határozza meg a mezon teljes spin-paritását, ezért léteznek például pseudoszcalar mezonok (J^P = 0^-) és vektormezonok (J^P = 1^-).
Nem igaz az a leegyszerűsítés, hogy a kvark és antikvark „másodperc töredéke alatt” azonnal megsemmisülnek; a mezonok élettartama nagyon változó lehet attól függően, hogy milyen kölcsönhatásokon keresztül bomlanak. Egyes mezonok nagyon rövid életűek (például a semleges pion, amely körülbelül 10^-17 másodperc alatt bomlik), mások viszonylag hosszabbak (a töltött pion körülbelül 2,6·10^-8 s-ig él), és vannak olyanok is, amelyek gyengén bomlanak, vagy CP- és más szimmetriavizsgálatokban fontos szerepet játszanak (például a kaonok). Amikor egy kvark és az antikvark valóban annihilálódnak, a folyamat eredményeként gluonok, fotonok vagy más részecskék keletkezhetnek, nem pedig „csak tiszta energia” egyszerűsített formában.
A mezonok elnevezése a görög "mezosz" szóból ered, ami "középsőt" jelent: ez arra utal, hogy az első felfedezett mezonok tömege köztes volt a nagyon könnyű részecskék (például az elektronok, azaz a leptonok) és a nehezebb, három kvarkból álló részecskék, például a protonok (azaz barionok) között.
Osztályozás és példák
A mezonokat több szempont szerint osztályozzuk:
- Íz (flavour): könnyű mezonok (például píonok, kaonok), valamint nehezebb, nehéz kvarkokat tartalmazó mezonok (például a charmonium — J/ψ, illetve bottomonium — Υ rendszerek).
- Spin és paritás: pseudoszcalar mezonok (0^-), vektormezonok (1^-), illetve ritkább kvantumszámú állapotok.
- Kvark–antikvark összetétel: különböző kvarkízek (u, d, s, c, b) kombinációiból adódó fajok, illetve keveredő állapotok (például η és η' esetén).
Fontos tulajdonságok és szerepük
- A mezonok fontos szerepet játszanak a nukleáris kölcsönhatásokban: hidegebb, távolsági maradék erőként a pioncsere magyarázza a nukleonok közötti hatékony kölcsönhatást (Yukawa elképzelése alapján).
- Megfigyelésük és bomlásuk információt ad a kvarkmodellről, a CP-violációról és a kölcsönhatások dinamikájáról (különösen a gyenge és az erős kölcsönhatásról).
- Előállításuk lehetséges részecskeütköztetőkben, asztrofizikai folyamatokban vagy nagyenergiájú részecskenyomok bomlása során.
- A topkvark különleges: olyan rövid életű, hogy tipikusan még nem képes hadronizálódni, ezért „top mezonokról” általában nem beszélünk.
Példák jól ismert mezonokra: a píonok (π±, π0), a kaonok (K±, K0), a rho, phi, valamint a nehezebb kvarkonia‑állapotok, mint a J/ψ vagy az Υ (upsilon). Egyes mezonok vizsgálata (például a kaonoké) kulcsfontosságú volt a CP‑szimmetria megsértésének felfedezésében és a Standard Modell tesztelésében.
Összefoglalva: a mezonok kvark–antikvark kötött állapotok, melyek tulajdonságai (tömeg, spin, bomlási módok, élettartam) a bennük lévő kvarkok típusától és a kölcsönhatások természetétől függenek. Nem egyszerű „azonnali megsemmisülésről” van szó, hanem gazdag spektrumról és dinamikáról, amely fontos információkat szolgáltat az erős és gyenge kölcsönhatásokról.
Mezonok spinje
A mezonok hadronok, ami egyszerűen azt jelenti, hogy kvarkokból állnak. Mivel a kvarkoknak különböző tört töltéseik vannak, a mezonok is rendelkezhetnek töltéssel. A kvarkok töltése azonban ki is egyenlítődhet, és így egy töltés nélküli mezon keletkezhet. A hadronok családjának többi tagja a barionok, amelyek három kvarkból állnak. Mivel a kvarkok mindegyike 1/2-es spinnel rendelkezik, három közülük soha nem adódik össze egész számú spin. Az egész számú spin egyszerűen 0, 1 vagy 2. Az egész számú spinnel rendelkező részecskéket bozonoknak nevezzük, amelyek a Bose-Einstein-statisztikának engedelmeskednek. Ez azt jelenti, hogy egynél több bozon is lehet egyszerre a tér ugyanazon pontján. Egy mezon azonban egy kvarkból és egy antikvarkból áll, amelyeknek nincs egész számú spinjük. Az olyan részecskék, amelyeknek nincs egész számú spinjük, 1/2 vagy 3/2 spinűek. Ezeket az 1/2 spinű részecskéket fermionoknak nevezzük, mert a Fermi-Dirac-statisztikának engedelmeskednek. Ez azt jelenti, hogy egynél több fermion nem lehet egyidejűleg a tér ugyanazon pontján. Minden ismert barion és kvark (és antikvark) fermion, és minden mezon bozon. Ez nagyon zavaró lehet, mert ez azt jelenti, hogy egynél több mezon egyszerre létezhet a tér ugyanazon pontján, de a mezonokat alkotó kvarkok nem létezhetnek egyszerre a tér ugyanazon pontján.
Mezonok létrehozása
A leggyakoribb természetes módja annak, hogy mezonokat találjunk, a kozmikus sugárzás és az anyag kölcsönhatása. Ez a folyamat megismételhető részecskegyorsítókban, amelyek nagy energiájú kvarkokat és antikvarkokat zúznak össze. A mezonok azonban nagyon instabilak, és gyorsan más részecskékké alakulnak át. A töltött mezonok elektronokká és neutrínókká, a töltetlen mezonok pedig fotonokká bomolhatnak. Mivel az antianyag elpusztítja az anyagot, nagy mennyiségű energia keletkezik. Az energia az E=mc2 egyenletet követi.
| · v · t · e Részecskék a fizikában | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Összetett |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Kérdések és válaszok
K: Mik azok a mezonok?
V: A mezonok hihetetlenül kicsi szubatomi részecskék, amelyek egy kvarkból és egy antikvarkból állnak.
K: Mi az az antiquark?
V: Az antiquark a normál kvark antianyag megfelelője.
K: Hogyan lépnek kölcsönhatásba a kvarkok és az antikvarkok spinjei?
V: A kvarkok és antikvarkok spinjei kiolthatják egymást, ami egy Higgs-bozonhoz hasonló részecskét alkot.
K: Honnan származik a "mezon" elnevezés?
V: A mezon elnevezés a görög "mesos" szóból származik, ami középsőt jelent.
K: Miért kapták a mezonok ezt a nevet?
V: A mezonok azért kapták ezt a nevet, mert az első felfedezett mezonok tömege a könnyű részecskék, például az elektronok, az úgynevezett leptonok, és a nehéz részecskék, például a protonok, az úgynevezett barionok tömege között volt.
K: Mik azok a leptonok?
V: A leptonok olyan könnyű részecskék, mint az elektronok.
Keres