Мезонная молекула как физическая гипотеза

Успешность кварковой модели объясняется тем, что кварки имеются внутри таких частиц как протон. Однако неудачи эмпирических поисков свободных кварков говорит о том, что кварки существуют только во взаимной связи.

В соответствии с моделью Манн Гелл имеются два типа адронов:

• барионы, состоят из трех кварков;
• мезоны, состоящие из кварка и антикварка.

Позднее была высказана гипотеза о существовании других комбинаций кварков, которые считают экзотическими:

• тетракварки (пара кварков и два антикварка);
• пентакварк (четыре кварка и антикварк).

Основным правилом построения адронов из кварков является то, что все квантовые числа адрона можно получить сложением квантовых чисел кварков, из которых составлен адрон.

Кварковая модель верно определяет все квантовые числа адронов известных на сегодняшний день.

Кварки осуществляют взаимодействия посредством обмена глюонами.

Мезон

Мезон – это система, составленная из равного количества частиц:

• кварка;
• антикварка.

Кроме того, мезон обладает «шубой» из глюонов и кварк-антикварковых пар.

В начале, мезоны были назначены квантами мезонного поля, которое окружает нуклоны. Они переносят сильное взаимодействие и ответственны за нахождение протонов и нейтронов в ядрах атомов. Х. Юкава сделал предположение о том, что нуклоны испускают и поглощают мезоны, подобно тому, как электроны испускают и поглощают фотоны. Открытые $\pi$ мезона подтвердило эту гипотезу.

$\pi$ - мезон обладает массой в 270 масс электрона. Он может быть в трех состояниях, то есть иметь положительный, отрицательный и нулевой заряды.

Эмиссия мезонов (как и фотонов) является виртуальным процессом. В соответствии с теорией Юкавы сила поля определена частотой испускания мезонов (квантов поля). Поскольку ядерные силы кране велики, то частота испускания мезонов нуклонами большая. В некоторых моделях протон и нейтрон в ядре представляют в окружении пульсирующего облака мезонов.

Юкава ввел мезон, как гипотетическую частицу для объяснения природы ядерных сил.

Мезон частица нестабильная.

Мезоны обычно обозначаются латинскими буквами:

• $K$ - мезоны,
• $D$ - мезоны,
• $B$ - мезоны ...

Исключениями стали исторические названия мезонов:

• $\pi$ -мезон,
• $\rho$ - мезон,
• $p$ - мезон...

Мезонная молекула

Все имеющиеся в природе молекулы имеют ядра, составленные из барионов (исключение водород -1).

Научная общественность еще не утвердила существование мезонных молекул.

Результаты экспериментальных исследований

В результате экспериментов на Большом адронном коллайдере в CERN было подтверждено существование экзотической частицы $Z4430$ (мезонный резонанс), которая в своем составе имеет четыре кварка, то есть возможно, она является тетракварком. Если рассматривать состав данной частицы более подробно, то в ее составе присутствуют:

• кварк $c$,
• антикварк $c$,

эта тяжелая кварк- антикварковая пара, которая электрически нейтральна. Кроме названной выше кварковой пары в составе $Z4430$ частицы имеется $u$ кварк и анти $d$ - кварк.

Масса частицы $Z4430$, около 4 ГэВ. Она несет электрический заряд.

Частица $Z4430$ найдена в Belle (Япония) в 20017 году. Другой опыт, проведенный в Америке, наличие данной частицы не выявил. Позднее в CERN результаты японских экспериментов были подтверждены (наличие частицы, ее спин и четность). Ее спин составляет единицу, пространственная чётность положительная. Был сделан вывод о том, что частица находится в возбужденном состоянии. Выдвинута гипотеза о том, что $Z4430$ - это мезонная молекула, в состав которой входят:

• $D$ - мезон;
• анти- $D$ - мезон.

Сами эти мезоны находятся в состоянии возбуждения.

$Z4430$ - это не единственная обнаруженная частица, которая составлена из четырех кварков. В настоящее время выявлено 8 подобных частиц. Предположительно, это молекулы, составленные из $B$ и $D$ - мезонов.

Другой частицей, о которой думают, что она мезонная молекула, считают $X(3872)$, которая обнаружена экспериментально в 2003 году.

Предполагают, что $X(3872)$ состоит из двух кварков и двух антикварков (мезонной молекулой, связанным состоянием $D$ и анти $D$ мезонов).

$X(3872)$ найдена при столкновении протонов и антипротонов с энергией в системе центра масс порядка 2ТэВ. Данная частица возникает не только в слабых распадах $B$ - мезонов, но и в сильных взаимодействиях, которые доминируют в столкновениях протонов и антипротонов. Belle отыскала $X(3872)$ при исследованиях связанных состояний очарованного кварка и антикварка $c, \overline {c}$. Частица $X(3872)$ содержит тяжелые кварки $c$.

Исследуя разные каналы распадов $B$ мезонов при разных энергиях, ученые Belle получили, что данный мезон способен распадаться на $X(3872)$ частицу и $K$ - мезон. После этого почти мгновенно $X(3872)$ распадается на $\frac{J}{\Psi}$ и пару $\pi$ - мезонов.