Mezon
Obsah boxu
Mezon je typ subatomární hadronové částice, která je složena z jednoho kvarku a jednoho antikvarku, vázaných k sobě silnou interakcí. Protože jsou mezony složeny z kvarků, účastní se silné interakce, ale také slabé a elektromagnetické interakce. Mají celočíselný spin, což je řadí mezi bosony. To je v přímém kontrastu s baryony (jako jsou proton a neutron), které jsou složeny ze tří kvarků a mají poločíselný spin, což je řadí mezi fermiony.
Všechny mezony jsou nestabilní a mají velmi krátkou dobu života, typicky od zlomků nanosekundy po nepatrné zlomky sekundy. Rozpadají se na stabilnější částice, jako jsou elektrony, neutrina a fotony, nebo na jiné, lehčí hadrony.
Původně byly mezony teoreticky předpovězeny jako částice zprostředkovávající sílu, která drží protony a neutrony pohromadě v atomovém jádře. Ačkoliv se později ukázalo, že fundamentální interakcí je silná interakce popsaná kvantovou chromodynamikou a zprostředkovaná gluony, koncept mezonů (konkrétně pionů) jako zprostředkovatelů zbytkové silné síly mezi nukleony zůstává platný. Studium mezonů, zejména těch obsahujících těžké kvarky, je klíčové pro pochopení Standardního modelu částicové fyziky, zejména v oblasti narušení CP symetrie.
📜 Historie
🌌 Teoretická předpověď
Koncept mezonů se zrodil ve 30. letech 20. století z potřeby vysvětlit podstatu síly, která váže protony a neutrony v atomových jádrech. V roce 1935 japonský fyzik Hideki Jukawa navrhl revoluční hypotézu. Předpokládal, že tato jaderná síla je zprostředkována výměnou masivních částic, podobně jako je elektromagnetická síla zprostředkována výměnou fotonů. Z konečného dosahu jaderné síly (přibližně 1,5 femtometru) odvodil, že tato nová částice musí mít hmotnost přibližně 200krát větší než hmotnost elektronu.
Protože hmotnost této hypotetické částice ležela mezi hmotností elektronu a protonu, byla pojmenována "mesotron" (z řeckého mesos, což znamená "střední" nebo "prostřední"). Později fyzik Werner Heisenberg navrhl zkrácení názvu na mezon, který se používá dodnes. Jukawova teorie nejenže postulovala existenci nové částice, ale také propojila její hmotnost s dosahem síly, kterou zprostředkovává, což byl zásadní teoretický pokrok. Za tuto práci obdržel Jukawa v roce 1949 Nobelovu cenu za fyziku.
🔬 Experimentální objev
Hledání Jukawovy částice začalo téměř okamžitě. V roce 1936 objevili Carl David Anderson a Seth Neddermeyer v kosmickém záření částici s hmotností odpovídající Jukawově předpovědi. Tato částice, dnes známá jako mion, byla zpočátku považována za hledaný mezon. Brzy se však ukázalo, že miony téměř neinteragují se silnou jadernou silou a nemohou být jejími nosiči. Fyzik Isidor Isaac Rabi na tuto skutečnost reagoval slavným výrokem: "Kdo si tohle objednal?".
Skutečný Jukawův mezon byl objeven až v roce 1947. Tým vedený Cecilem Powellem na Univerzitě v Bristolu použil fotografické emulze vynesené do velkých výšek balóny ke studiu kosmického záření. V těchto emulzích objevili stopy částice, kterou pojmenovali pion (π-mezon). Pion interagoval silně s atomovými jádry a jeho hmotnost odpovídala Jukawově předpovědi. Objev pionu potvrdil základní myšlenku Jukawovy teorie a otevřel dveře do světa hadronové fyziky.
⚙️ Základní vlastnosti
Struktura a složení
Podle kvarkového modelu je každý mezon tvořen jedním kvarkem a jedním antikvarkem. Tyto se označují jako valenční kvarky. Ve skutečnosti je struktura složitější; mezon je také vyplněn "mořem" virtuálních párů kvark-antikvark a gluonů, které drží valenční kvarky pohromadě.
Kombinace kvarku a antikvarku vede k tomu, že mezony mají baryonové číslo B = 0. Jejich vlastnosti, jako je elektrický náboj, podivnost nebo půvab, jsou dány součtem vlastností jejich valenčních kvarků. Například kladně nabitý pion (π⁺) je tvořen kvarkem u (náboj +2/3 e) a antikvarkem anti-d (náboj +1/3 e), což dává celkový náboj +1 e.
Spin a statistika
Spiny kvarku a antikvarku (oba mají spin 1/2) se mohou skládat buď antiparalelně (výsledný spin S = 0), nebo paralelně (výsledný spin S = 1). V kombinaci s orbitálním momentem hybnosti mohou mezony nabývat celkových hodnot spinu J = 0, 1, 2, ... . Jelikož mají celočíselný spin, řídí se Bose-Einsteinovou statistikou a patří mezi bosony.
Nestabilita a rozpad
Všechny známé mezony jsou nestabilní. I ty nejstabilnější, jako jsou nabité piony, mají poločas přeměny jen asi 26 nanosekund. Většina mezonů se rozpadá v časech kratších než 10⁻²⁰ sekundy.
Rozpady probíhají prostřednictvím:
- Silné interakce: Pokud je to kinematicky možné, mezony se rozpadají velmi rychle (řádově 10⁻²³ s) na jiné, lehčí hadrony.
- Elektromagnetické interakce: Typické pro rozpady, kde se mění náboj, ale vůně kvarků zůstává zachována (např. π⁰ → γ + γ). Jsou pomalejší než silné rozpady.
- Slabé interakce: Tento typ rozpadu umožňuje změnu vůně kvarku (např. rozpad kaonu, kde se podivný kvark mění na kvark u). Jsou nejpomalejší a zodpovědné za relativně dlouhou dobu života některých mezonů.
🔬 Klasifikace mezonů
Mezony lze klasifikovat podle několika kritérií, nejčastěji podle jejich kvarkového složení (vůně) nebo podle jejich kvantových čísel (spin, parita).
Podle kvarkového složení (vůně)
- Piony (π): Nejnižší hmotnostní mezony, složené z kvarků u a d a jejich antikvarků. Existují ve třech stavech: π⁺ (ud̄), π⁻ (dū) a π⁰ (směs uū a dd̄).
- Kaony (K): Obsahují jeden podivný kvark (s) nebo antikvark. Jsou těžší než piony a jejich objev vedl k zavedení kvantového čísla podivnost.
- Eta (η) a Eta' (η') mezony: Neutrální mezony bez vůně, které jsou kvantově-mechanickou superpozicí párů uū, dd̄ a ss̄.
- Mezony s těžkými kvarky:
* D mezony: Obsahují jeden půvabný kvark (c). * B mezony: Obsahují jeden krásný (nebo spodní) kvark (b). Jejich studium je klíčové pro výzkum CP symetrie.
- Kvarkonia: Mezony, které jsou tvořeny kvarkem a jeho vlastním antikvarkem.
* Charmonium (cc̄): Například slavná částice J/ψ. * Bottomonium (bb̄): Například mezon Ypsilon (Υ).
Podle spinu a parity
Kombinace spinu (J), parity (P) a C-parity (C) definuje typ mezonu:
- Pseudoskalární mezony (JPC = 0⁻⁺): Mají nulový spin a zápornou paritu. Patří sem nejlehčí mezony jako piony a kaony. Jsou to základní stavy kvark-antikvarkových párů.
- Vektorové mezony (JPC = 1⁻⁻): Mají spin 1 a zápornou paritu. Patří sem například ρ, ω, φ a J/ψ. Jsou to excitované stavy pseudoskalárních mezonů.
- Skalární mezony (JPC = 0⁺⁺)
- Axiálně vektorové mezony (JPC = 1⁺⁺)
🧩 Exotické mezony
Kromě standardních mezonů (q-q̄) existují teoretické předpovědi a experimentální náznaky existence tzv. exotických mezonů, které se nehodí do jednoduchého kvarkového modelu, ale stále mají baryonové číslo 0 a celočíselný spin.
- Tetrakvarky: Částice složené ze dvou kvarků a dvou antikvarků (qqq̄q̄).
- Gluebally (lepidlové koule): Hypotetické částice složené pouze z gluonů, bez valenčních kvarků. Jejich hledání je jedním z cílů moderní experimentální fyziky.
- Hybridní mezony: Částice složené z páru kvark-antikvark a excitovaného gluonu (qq̄g).
⚛️ Role v přírodě a výzkumu
Zprostředkovatel jaderné síly
V moderním pojetí je základní silná interakce popsána kvantovou chromodynamikou (QCD) a zprostředkována gluony. Síla, která drží protony a neutrony v jádře, je však tzv. zbytková silná síla, podobně jako Van der Waalsovy síly mezi neutrálními atomy jsou zbytkovým projevem elektromagnetismu. Tato zbytková síla je na větších vzdálenostech (řádově velikosti nukleonu) efektivně zprostředkována výměnou nejlehčích mezonů, především pionů.
Produkt vysokoenergetických srážek
Mezony se běžně nevyskytují ve stabilní hmotě. Vznikají při vysokoenergetických srážkách, například:
- V urychlovačích částic, kde srážky protonů nebo elektronů produkují spršky nových částic, včetně mnoha druhů mezonů.
- Při interakci kosmického záření s atmosférou Země.
Studium základních symetrií
Rozpady některých mezonů, zejména neutrálních kaonů (K⁰) a B-mezonů (B⁰), poskytují unikátní příležitost ke studiu fundamentálních symetrií přírody. Právě v systému neutrálních kaonů bylo v roce 1964 poprvé pozorováno narušení CP symetrie, což je jev, který vysvětluje, proč ve vesmíru dominuje hmota nad antihmotou.
💡 Pro laiky
Představte si protony a neutrony v jádře atomu jako dva lidi, kteří si chtějí navzájem něco sdělit, ale jsou příliš daleko na to, aby na sebe dosáhli. Mezon je v tomto přirovnání jako míček, který si tito dva lidé neustále házejí. Akt házení a chytání míčku je udržuje ve vzájemné interakci a drží je pohromadě.
- **Baryony (protony, neutrony):** Jsou jako "stavební kameny" hmoty. Jsou relativně stabilní a tvoří jádra atomů.
- **Mezony (piony, kaony...):** Jsou jako dočasné "vzkazy" nebo "lepidlo" mezi těmito stavebními kameny. Vzniknou, předají sílu a okamžitě se rozpadnou na něco jiného. Jejich existence je extrémně krátká.
Zatímco baryony jsou složeny ze tří kvarků, mezony jsou tvořeny jedním kvarkem a jedním "antikvarkem" (jeho antihmotovým protějškem). Díky této zvláštní kombinaci nejsou stabilními stavebními bloky, ale spíše dočasnými nosiči energie a síly.