ΜΕΣΟΝΙΑ
Τα μεσόνια είναι σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ και αντικουάρκ και δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli.
Είναι ασταθή σωματίδια και διασπώνται.
To όνομά τους προέρχεται από την ελληνική λέξη «μέσος».
Ο απλούστερος τρόπος για να κατασκευάσουμε ένα μεσόνιο είναι να συνδυαστεί ένα κουάρκ με ένα αντικουάρκ. Το ηλεκτρικό φορτίο του μεσονίου υπολογίζεται από τα φορτία του κουάρκ και του αντικουάρκ που περιέχει. Για παράδειγμα, το ελαφρύ μεσόνιο π+(uđ) που περιέχει ένα u κουάρκ
(με φορτίο + 2e/3) και ένα đ (με φορτίο + e/3) έχει τελικά φορτίο : 2e/3 + e/3 = +e.
Αν κάποιο από αυτά τα u και d κουάρκ (ή αντικουάρκ) αντικατασταθούν από ένα s κουάρκ (ή αντικουάρκ), προκύπτει ένα παράδοξο μεσόνιο. Αντίστοιχα με την παρουσία ενός c ή ενός b κουάρκ (ή αντικουάρκ) σχηματίζεται ένα χαρισματικό ή ένα πυθμενικό μεσόνιο.
Μεσόνιο μπορεί να σχηματιστεί από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ ίδιας γεύσης.
Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το σωματίδιο J/ψ (cč) που σχηματίζεται από ένα c κουάρκ και ένα c αντικουάρκ.
Οι ιδιότητες ενός μεσονίου, όπως η «παραδοξότητα» S, το «χάρισμα» C και η «πυθμενικότητα» B, καθορίζονται από τα κουάρκ που περιέχουν.
Μεσόνια μπορούν, επίσης, να δημιουργηθούν από δύο κουάρκ και δύο αντικουάρκ και έχουν παρατηρηθεί αρκετές φορές σε πειράματα. Τέτοια μεσόνια είναι πολύ ασταθή και γρήγορα διασπώνται. Είναι, επίσης, θεωρητικά δυνατόν να σχηματιστούν μεσόνια μόνο από τα gluon (τους μεσολαβητές της ισχυρής δύναμης) που τα ονομάζουμε glueballs.
Τα μεσόνια δεν αποτελούν ούτε ύλη ούτε αντιύλη, αφού περιέχουν ίσο πλήθος κουάρκ και αντικουάρκ και έχουν βαρυονικό αριθμό μηδέν.
Πιόνια
Αν κουνήσουμε ένα ηλεκτρόνιο, παρατηρούμε την εμφάνιση φωτονίων λόγω του ηλεκτρικού του φορτίου (εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας). Αν κάνουμε το ίδιο με ένα πρωτόνιο, δεν θα εμφανιστούν μόνο τα φωτόνια, αλλά θα εμφανιστούν επίσης και μεσόνια που ονομάζονται πιόνια, λόγω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Όσο πιο μεγάλη είναι η διαταραχή που προκαλούμε, τόσο παράγονται περισσότερα πιόνια.
Στις συγκρούσεις της κοσμικής ακτινοβολίας (κυρίως πρωτόνια με μόρια της ατμόσφαιρας) παράγονται θετικά π+ ( uđ ), αρνητικά π– (ūd ) και
ουδέτερα π0 ( uū/dđ ) πιόνια σε μεγάλο πλήθος. Αυτά είναι ασταθή σωματίδια και διασπώνται γρήγορα.
Επειδή τα πιόνια είναι τα ελαφρύτερα σωματίδια που παράγονται από την ισχυρή δύναμη, δεν μπορούν να διασπαστούν σε άλλα ελαφρύτερα μέσω της δύναμης αυτής, αλλά διασπώνται μέσω της ασθενούς και της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Τα θετικά και τα αρνητικά πιόνια διασπώνται ασθενώς σε χρόνο 10-8 s σε θετικά και αρνητικά μιόνια αντίστοιχα, τα οποία με την σειρά τους μετατρέπονται σε ποζιτρόνια και σε ηλεκτρόνια μαζί με τα αντίστοιχα νετρίνα και αντινετρίνα που εκπέμπονται σε κάθε μια διάσπαση. Το ουδέτερο πιόνιο διασπάται ηλεκτρομαγνητικά σε χρόνο 10-16 s συνήθως σε δύο φώτονια, τα οποία στην συνέχεια με την σειρά τους σχηματίζουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.
✏️ Να συμπληρώσεις τα νετρίνα που λείπουν στις παρακάτω αντιδράσεις :
π– → μ– + …
μ+ → e+ + νe + …
Η ισχυρή δύναμη ανάμεσα στα κουάρκ ενός πρωτονίου ή ενός νετρονίου μεταδίδεται μέσω της ανταλλαγής των gluon. Ωστόσο, στο εσωτερικό του πυρήνα δημιουργείται ένα αόρατο παροδικό δίκτυο “δυνητικών” πιονίων. Εκεί τα πιόνια – με μάζα περίπου το 15% της μάζας του πρωτονίου – δρουν σαν τα σωματίδια “μεσολαβητές” της ισχυρής δύναμης μικρής εμβέλειας, όπως είχε προβλέψει ήδη από το 1934 ο Ιάπωνας φυσικός Hideki Yukawa, και συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί. Μόνο όταν τα σωματίδια του πυρήνα αποκτήσουν μεγάλες ενέργειες και συγκρουστούν, μπορούμε να δούμε τα δυνητικά πιόνια να γίνονται πραγματικά και να ελευθερώνονται.
Παράδοξα μεσόνια
Τα μεσόνια που περιέχουν ένα s κουάρκ ή αντικουάρκ ονομάζονται καόνια. Είναι τα πρώτα παράδοξα σωματίδια που ανακαλύφθηκαν. Παράγονται μέσω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων (σε χρόνο 10-23 s) και διασπώνται μόνο μέσω των ασθενών.
Πείραμα ATLAS στο εργαστήριο CERN
Σήμερα δείχνουμε ιδιαίτερο ενδιαφέρον στα ουδέτερα καόνια. Το ουδέτερο καόνιο Κ0 (dš) και το ουδέτερο αντι-καόνιο Ǩ0(đs) πρέπει να ακολουθούν μία κατοπτρική συμμετρία, αλλά μερικές φορές δεν συμβαίνει αυτό. Η απόκλιση αυτή μπορεί να μας δώσει απαντήσεις για το πλεόνασμα ύλης σε σχέση με την αντιύλη που συμβαίνει στο σύμπαν μας.
Χαρισματικά μεσόνια
Το c κουάρκ μπορεί να συνδυαστεί με ένα από τα ελαφρύτερα κουάρκ (u, d, s) και έτσι να σχηματιστούν βαρυόνια από τρία κουάρκ ή μεσόνια από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Τα χαρισματικά μεσόνια μπορούν επίσης να περιέχουν και το βαρύτερο b κουάρκ ή αντικουάρκ. Ωστόσο, τα βαριά μεσόνια είναι δύσκολο να απομονωθούν και γνωρίζουμε πολύ λίγα για τις ιδιότητές τους.
Στις αντιδράσεις σωματιδίων μεγάλης ενέργειας παράγονται, μέσω της ισχυρής ή της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, ζεύγη c κουάρκ και αντικουάρκ. Αν τα κουάρκ και τα αντικουάρκ αυτά έχουν μικρή ταχύτητα, μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα μεσόνιο. Το μεσόνιο αυτό είναι ένας συνδυασμός ανάλογος με ένα άτομο του υδρογόνου, όπου ένα σωματίδιο περιστρέφεται γύρω από ένα άλλο. Το σύστημα c κουάρκ-αντικουάρκ έχει συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες και ονομάζεται charmonium. Κάθε ενεργειακή στάθμη αντιστοιχεί σε σωματίδιο διαφορετικής μάζας.
Ο βασικός εκπρόσωπος των σωματιδίων αυτών είναι το μεσόνιο J/ψ (cč).
✏️ Υπολόγισε το φορτίο του μεσονίου J/ψ καθώς και το σπιν του, αν γνωρίζεις ότι το κουάρκ και το αντικουάρκ έχουν ομόρροπα σπιν.
Το μεσόνιο αυτό ανακαλύφθηκε το 1974 την ίδια ακριβώς περίοδο από δύο ανεξάρτητα πειράματα. Στο πρώτο πείραμα ανακαλύφθηκε από την ομάδα
του B. Richter ένα έντονο σήμα σχηματισμού ενός σωματιδίου με μάζα 3,1GeV/c2 σε αντιδράσεις ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου και ονομάστηκε σωματίδιο ψ.
Στο δεύτερο πείραμα η ομάδα του S. Ting ακολούθησε αντίστροφη διαδικασία και το προσδιόρισε μέσω της διάσπασής του σε ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου.
Του έδωσαν το όνομα J και έτσι τελικά το μεσόνιο ονομάστηκε J/ψ.
Η φυσική διεργασία που ακολουθήθηκε στα δύο πειράματα μπορεί να απεικονιστεί από την αντίδραση :
e+ + e– ↔︎ c + č
Όταν το κουάρκ και το αντικουάρκ του charmonium περιστρέφονται σε τροχιά με μεγαλύτερη ενέργεια, σχηματίζεται ένα σωματίδιο μεγαλύτερης μάζας. Με την εκπομπή ενέργειας σε μορφή φωτονίων ή πιονίων το σύστημα μεταβαίνει σε χαμηλότερη ενέργεια και σχηματίζεται ένα ελαφρύτερο σωματίδιο :
ψ΄ ( 3,7GeV/c2 ) → J/ψ ( 3,1GeV/c2 ) + π– + π+
Η παρουσία ενός συντονισμού δηλώνει τον σχηματισμό ενός ασταθούς σωματιδίου. Το εύρος του Γ (στο μέσο της μέγιστης τιμής) αντιπροσωπεύει την αβεβαιότητα στην μέτρηση της ενέργειας-μάζας, στην οποία συμβαίνει ο συντονισμός. Αυτή η αβεβαιότητα συνδέεται με τον χρόνο ζωής τ του σωματιδίου με την αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg (Γ x τ = ħ).
Ο συντονισμός που αντιστοιχεί στο μεσόνιο J/ψ παρουσιάζει εύρος (Γ ≈ 90KeV) που αντιστοιχεί σε χρόνο ζωής 10-20 s.
Αν τα c κουάρκ και αντικουάρκ που παρήχθησαν μαζί κινούνται με μεγάλες ταχύτητες, τότε απομακρύνεται το ένα από το άλλο και συνδέονται με άλλα κουάρκ ή αντικουάρκ που εμφανίζονται στην ίδια αντίδραση. Σε αυτή την περίπτωση το c κουάρκ και το c αντικουάρκ σχηματίζουν διαφορετικά χαρισματικά σωματίδια, είτε μεσόνια είτε βαρυόνια.
Η θεωρία προβλέπει ότι το c κουάρκ διασπάται ασθενώς και τις περισσότερες φορές μετατρέπεται σε s κουάρκ, με αποτέλεσμα η παρουσία των παράδοξων σωματιδίων (όπως τα καόνια) να αποτελεί τους μάρτυρες για την σύντομη παρουσία και διάσπαση ενός χαρισματικού μεσονίου. Η πρώτη καθαρή παρουσία ενός χαρισματικού μεσονίου με την μέθοδο αυτή έγινε την άνοιξη του 1976 στα δεδομένα αντιδράσεων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων του κέντρου ερευνών SLAC στην Καλιφόρνια. Λεπτομερής ανάλυση έδειξε ότι οι συνδυασμοί των πιονίων και καονίων που παράγονταν τακτικότερα είχαν ενέργειες που το άθροισμά τους είχε μια συγκεκριμένη τιμή. Τα πιόνια και τα κανόνια, δηλαδή, προέκυπταν από την διάσπαση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου. Με τον τρόπο αυτό ανακαλύφθηκε το σωματίδιο D0 (cū) που έχει μάζα 1,863 GeV/c2.
Υπάρχει μία ολόκληρη οικογένεια μεσονίων, τα οποία διαθέτουν και παραδοξότητα και χάρισμα. Σε αυτά ένα c κουάρκ (ή αντικουάρκ) συνδυάζεται με ένα s αντικουάρκ (ή κουάρκ) και σχηματίζουν ένα μεσόνιο, όπως είναι το μεσόνιο Ds+ (cš).
Επίσης, υπάρχουν χαρισματικά μεσόνια με b κουάρκ ή αντικουάρκ, όπως το μεσόνιο Bc+ (cƀ).
Πυθμενικά μεσόνια
Το b κουάρκ έχει το ίδιο φορτίο με το s κουάρκ, γι’ αυτό και τα πυθμενικά μεσόνια μοιάζουν με τα καόνια, μόνο που έχουν μεγαλύτερη μάζα. Έτσι το παράδοξο Κ– (sū) έχει μάζα περίπου 0,5 GeV/c2, ενώ το ανάλογό του πυθμενικό B– (bū) ζυγίζει περίπου 5 GeV/c2.
Το b κουάρκ πολύ σύντομα διασπάται ασθενώς σε ένα c κουάρκ και εκείνο με την σειρά του διασπάται σε άλλα ελαφρύτερα, με αποτέλεσμα τα πυθμενικά μεσόνια να μετατρέπονται μέσα σε 10-12 s σε άλλα πιο γνωστά σωματίδια. Η διάσπασή τους γίνεται με πολλούς τρόπους που καταλήγουν σε διαφορετικά σωματίδια. Για παράδειγμα το μεσόνιο Β0 (ƀd) διασπάται σε ένα χαρισματικό J/ψ και μια διεγερμένη κατάσταση του παράδοξου καονίου K*0 , τα οποία ζουν ελάχιστα και γρήγορα διασπώνται (δες την παρακάτω φωτογραφία).
Στο δεξιό τμήμα της φωτογραφίας εμφανίζεται το γεγονός σε μεγέθυνση.
Οι μπλε τροχιές στην αντίθετη κατεύθυνση αντιστοιχούν σε αντιδράσεις που προέκυψαν από την διάσπαση ενός άλλου Β μεσονίου, το οποίο περιέχει το b κουάρκ που σχηματίστηκε ταυτόχρονα με το ƀ κουάρκ του μεσονίου Β0.
Ανιχνευτής CDF στο εργαστήριο FERMILAB
Στις αντιδράσεις σωματιδίων μεγάλης ενέργειας τα ζεύγη b κουάρκ και αντικουάρκ που σχηματίζονται μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους και να σχηματίσουν ένα bottomonium , που είναι το ανάλογο με το ελαφρύτερο charmonium. Μέχρι σήμερα έχουν ανακαλυφθεί αρκετά μέλη αυτής της οικογένειας. Το μεσόνιο Υ (bƀ) με μάζα 9,46 GeV/c2 είναι το σωματίδιο που αντιστοιχεί στην κατάσταση με την χαμηλότερη ενέργεια.
Τα πυθμενικά μεσόνια παρουσιάζουν μια διαφοροποίηση μεταξύ των σωματιδίων και των αντισωματιδίων τους, δίνοντας ένα σήμα μέτρησης της ασυμμετρίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη, όπως συμβαίνει και με τα ουδέτερα κανόνια.
Πείραμα LHCb στο εργαστήριο CERN.
Ας ανακεφαλαιώσουμε τους κανόνες που χρησιμοποιούμε στην ονοματολογία των μεσονίων.
Αν το βαρύτερο κουάρκ ή αντικουάρκ του μεσονίου είναι το s, c, b ή t, χρησιμοποιούμε αντίστοιχα το γράμμα K, D, Β ή T για να το ονομάσουμε.
Αν το ελαφρύτερο κουάρκ δεν είναι το u ή το d, αλλά μια άλλη γεύση “x”, τότε προσθέτουμε το x ως δείκτη στο αντίστοιχο μεσόνιο.