Просмотр кода страницы Фи-мезон

{{Частица|символ=<math>\phi^0</math>|классификация=резонанс|спин=1|чётность=-1|изотопический_спин=0|странность=0|очарование=0|прелесть=0|истинность=0|гиперзаряд=0|семья=бозон|группа=мезоны|обнаружена=[[1961 год]]|электрический_заряд=0|барионное_число=0|лептонное_число=0|внутренняя_чётность=-1|зарядовая_чётность=-1|кварковый_состав=<math>s\bar{s}</math>}}

'''Фи-мезо́н''' — элементарная частица со скрытой странностью и [[Изотопический спин|изотопическим спином]] 0, представляющая собой мезонный [[Резонанс (частица)|резонанс]] с чётным [[Орбитальное квантовое число|орбитальным квантовым числом]]<ref>{{Cite web |url=http://pdg.lbl.gov/2011/reviews/rpp2011-rev-naming-scheme-hadrons.pdf |title=Naming scheme for hadrons |access-date=2011-07-25 |archive-date=2011-08-05 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110805142657/http://pdg.lbl.gov/2011/reviews/rpp2011-rev-naming-scheme-hadrons.pdf |deadlink=no }}</ref>. Она образует синглет, дополняющий октет векторных мезонов, то есть является аналогом [[Эта-штрих-мезон|η′-мезона]].

== История открытия ==
Первые свидетельства существования {{math|φ}}-мезона были получены в 1961-1962 годах в [[Брукхейвенская национальная лаборатория|Брукхейвенской национальной лаборатории]]<ref>{{Статья|автор=Bertanza L. et al.|заглавие=Possible Resonances in the Ξ π and K anti-K Systems|издание=Phys. Rev. Lett.|год=1962|том=9|номер=4|страницы=180—183|doi=10.1103/PhysRevLett.9.180|ссылка=https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.9.180|язык=en|archivedate=2023-11-06|archiveurl=https://web.archive.org/web/20231106141634/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.9.180}} {{free access}}</ref>. На основании этих данных {{нп5|Сакураи, Дзюн|Дзюном Сакураи||J. J. Sakurai}} было сделано предположение о природе этого резонанса<ref>{{Статья|заглавие=Possible Existence of a {{math|''T''}}=0 Vector Meson at 1020 MeV|издание=Phys. Rev. Lett.|автор=Sakurai J. J.|год=1962|том=9|номер=11|страницы=472–475|ссылка=https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.9.472|doi=10.1103/PhysRevLett.9.472|язык=en|archivedate=2023-09-12|archiveurl=https://web.archive.org/web/20230912232005/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.9.472}}</ref>.

Надёжное подтверждение открытия {{math|φ}}-мезона было сделано в 1962 году на [[Беватрон]]е в [[Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли|Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли]]<ref>{{Статья|автор=Schlein P. et al.|заглавие=Quantum Numbers of a 1020 MeV ''K{{overline|K}}'' Resonance|издание=Phys. Rev. Lett.|год=1963|том=10|номер=8|страницы=368—371|ссылка=https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.10.368|doi=10.1103/PhysRevLett.10.368|язык=en|archivedate=2023-11-06|archiveurl=https://web.archive.org/web/20231106141645/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.10.368}} {{free access}}</ref> и на синхротроне [[AGS (синхротрон)|AGS]] в Брукхейвенской национальной лаборатории<ref>{{статья
|автор=Connolly P. L. et al.
|заглавие=Existence and Properties of the ϕ Meson
|издание=[[Physical Review Letters|Phys. Rev. Lett.]]
|год=1963
|том=10
|номер=8
|страницы=371—376
|accessdate=2011-07-31
|ссылка=http://prl.aps.org/abstract/PRL/v10/i8/p371_1
|язык=en
|doi=10.1103/PhysRevLett.10.371}}</ref>.

В 1968 году на [[Синхрофазотрон ОИЯИ|синхрофазотроне]] в [[Объединённый институт ядерных исследований|Объединённом институте ядерных исследований]] впервые зафиксирован распад {{math|φ}}-мезона на электрон-позитронную пару<ref>{{Статья|автор=Astvacaturov R. G. et al.|заглавие=Observation of the φ → e+ e– Decay|издание=Phys. Lett. B|язык=en|год=1968|том=27|страницы=45|doi=10.1016/0370-2693(68)90330-4}}</ref>.

В 1999 году в лаборатории LNF INFN (Италия) был построен электрон-позитронный коллайдер [[DAFNE|DAΦNE]], основным объектом исследования которого был фи-мезон<ref>{{Cite web|url=http://www.lnf.infn.it/acceleratori/dafne/physics.html|title=PHYSICS AT DAFNE|website=www.lnf.infn.it|access-date=2023-05-06|archive-date=2023-06-09|archive-url=https://web.archive.org/web/20230609211819/http://www.lnf.infn.it/acceleratori/dafne/physics.html|url-status=live}}</ref>.

== Основные свойства ==
Сразу стоит отметить, что из-за малого времени жизни параметры фи-мезона не могут быть измерены непосредственно и определяются по свойствам частиц, образующихся при его распаде.

Инвариантная масса самого лёгкого фи-мезона составляет {{nobr|(1,817344 ± 0,000040){{e|−27}} кг}} или {{nobr|(1,09443 ± 0,00002) [[а. е. м.]]}} Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, это соответствует энергии покоя {{nobr|1019,455 ± 0,020 МэВ}}<ref name="мезоны" />. Соответственно, масса фи-мезона в 1995 раз больше массы электрона.

Фи-мезон не имеет электрического заряда. Все квантовые числа, характеризующие адроны: барионный заряд, изотопический спин, странность, очарование, прелесть, истинность и гиперзаряд — также равны нулю. Таким образом, у фи-мезона нет характеристик, которые отличали бы его от своей античастицы. Это позволяет классифицировать этот мезон как [[Нейтральная частица|истинно нейтральную частицу]], то есть частицу, не имеющую античастиц или, иначе говоря, являющуюся античастицей самой себе.

Собственный угловой момент или спин наиболее лёгкого фи-мезона равен 1<ref name="мезоны" />. Таким образом, он, как и все прочие мезоны, является [[бозон]]ом и подчиняется [[Статистика Бозе — Эйнштейна|статистике Бозе — Эйнштейна]].

Пространственная чётность фи-мезона — отрицательная<ref name="мезоны" />. Чётность в сочетании со спином определяют математическую сущность волновой функции частицы. В данном случае (единичный спин и отрицательная чётность) волновая функция будет преобразовываться подобно вектору (тензору первого ранга). Поэтому наиболее лёгкий фи-мезон (или, другими словами, основное состояние фи-мезона) является ''векторным'' бозоном.

Однако, поскольку в широком смысле фи-мезонами принято называть целую группу составных частиц, состоящих из кварков с чётным суммарным орбитальным квантовым числом {{math|''L''}}, то, в принципе, они могут иметь любой целый нечётный спин, который для составных частиц равен сумме {{math|''L + S''}}, где {{math|''S''}} — суммарный спин частиц-компонент, равный 1 = (+{{frac|1|2}} + {{frac|1|2}}). Но чётность для всех фи-мезонов, в силу формулы <math>(-1)^{L+S}</math>, должна быть отрицательной. Например, известен фи-мезон φ<sub>3</sub>(1850), который имеет спин, равный 3, и отрицательную чётность; таким образом, он является уже не векторным, а тензорным бозоном, поскольку его волновая функция должна иметь трансформационные свойства, соответствующие тензору третьего ранга.

== Характеристики ==
Далее представлены характеристики самого лёгкого φ-мезона и трёх его наиболее хорошо изученных возбуждённых состояний.
{| class="wikitable sortable" style="text-align: center;"
! Частица
! class=unsortable|Кварковый состав<ref name=PDGQuarkmodel>Amsler C. ''et al.'' (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/quarkmodrpp.pdf Quark Model] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/quarkmodrpp.pdf |date=20110730230034 }}</ref>
! [[Энергия покоя]], [[МэВ]]
! width="50"|[[Изоспин|{{math|''I''}}]]<sup>[[G-чётность|{{math|''G''}}]]</sup>
! width="50"|[[Спин|{{math|''J''}}]]<sup>[[Чётность (физика)|{{math|''P''}}]][[Зарядовая чётность|{{math|''C''}}]]</sup>
! width="50"|[[Электрический заряд|{{math|''Q''}}]]
! width="50"|[[Странность|{{math|''S''}}]]
! width="50"|[[Очарование (физика)|{{math|''c''}}]]
! width="50"|[[Прелесть (квантовое число)|{{math|''b''}}]]
! Среднее время жизни, с
! class=unsortable|Основная мода распада
|- style="height:40px"
| φ(1020)
|align="center"| <math>s\bar{s}</math>
|align="center"| 1019,455 ± 0,020
|align="center"| 0<sup>−</sup>
|align="center"| 1<sup>−−</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 1,54{{e|−22}}
|align="center"| {{nowrap|K<sup>+</sup> + K<sup>−</sup>}}
|-
| φ(1680)
|align="center"| <math>s\bar{s}</math>
|align="center"| 1680 ± 20
|align="center"| 0<sup>−</sup>
|align="center"| 1<sup>−−</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 4,4{{e|−24}}
|align="center"| {{nowrap|K<sup>+</sup> + K*<sup>−</sup>(892)}}
|-
| φ<sub>3</sub>(1850)
|align="center"| <math>s\bar{s}</math>
|align="center"| 1854 ± 7
|align="center"| 0<sup>−</sup>
|align="center"| 3<sup>−−</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 7,6{{e|−24}}
|align="center"| {{nowrap|K<sup>+</sup> + K<sup>−</sup>}}
|-
| φ(2170)
|align="center"| <math>s\bar{s}</math> или <math>ss\bar{s}\bar{s}</math>
|align="center"| 2162 ± 7
|align="center"| 0<sup>−</sup>
|align="center"| 1<sup>−−</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 6,6{{e|−24}}
|align="center"| {{nowrap|e<sup>+</sup> + e<sup>−</sup>}}
|}

== Структура ==
[[Файл:Meson nonet - spin 1.svg|мини|Нонет векторных мезонов]]
Фи-мезон представляет собой связанную систему из кварка и антикварка одного аромата (так называемый [[кварконий]]). Поскольку результирующие значения всех квантовых чисел у данной частицы равны нулю, то ничто не мешает кварку и антикварку менять свой аромат за счёт слабого взаимодействия. Поэтому фи-мезон можно представить как суперпозицию различных кварк-антикварковых пар:
: <math>\varphi = k_1\cdot \frac{u\overline{u} + d\overline{d}}{\sqrt{2}} - k_2\cdot s\overline{s}</math>.
Здесь <math>u\overline{u}</math> и <math>d\overline{d}</math> объединены в одно слагаемое, так как массы u- и d-кварков примерно равны и они дают одинаковые вклады в волновую функцию фи-мезона. Более тяжёлые кварки сюда не включены, так как их масса значительно больше массы фи-мезона и, соответственно, их вклад является незначительным.

Квадраты коэффициентов суперпозиции равны вероятности существования частицы в данном состоянии и, по правилу нормировки, их сумма равна 1:
: <math>k_{1}^2+k_{2}^2=1</math>.
Поэтому удобно выразить эти коэффициенты через синус и косинус одного угла <math>\alpha</math>:
: <math>\varphi = \frac{u\overline{u} + d\overline{d}}{\sqrt{2}}\cdot \cos\alpha - s\overline{s}\cdot\sin\alpha</math>.
Угол <math>\alpha</math> выражается через так называемый угол смешивания <math>\theta</math>:
: <math>\alpha = \theta + 54,7^\circ</math>.
Угол смешивания является характеристикой всего нонета векторных мезонов, в который входит фи-мезон и определяется массами входящих в него частиц:
: <math>\operatorname{tg}^2 \theta=\frac{4m_{K^*}-m_\rho-3m_\varphi}{m_\rho+3m_\omega-4m_{K^*}}=\frac{4\cdot 895,55-775,26-3\cdot 1019,46}{775,26+3\cdot 782,66-4\cdot 895,55}\approx 0,548</math>.
Откуда получаем для векторных мезонов значение <math>\theta\approx 36,5^\circ</math> и <math>\alpha\approx 91,2^\circ</math>.
Таким образом, состав фи-мезона можно записать следующим образом:
: <math>\varphi = -0,0209\cdot\frac{u\overline{u} + d\overline{d}}{\sqrt{2}} - 0,9998\cdot{}s \overline{s}</math>.
Возведя коэффициенты в квадрат, получим, что суммарная вероятность существования фи-мезона в форме u-кварк-антикварковой или d-кварк-антикварковой пары составляет 4,4{{e|-4}}, то есть они дают вклад лишь в 0,044 % в волновую функцию данного резонанса. Остальные 99,956 % дают s-кварки. Таким образом, фи-мезон можно считать состоящим из s-кварка и s-антикварка.

== Моды распада ==
Фи-мезон является резонансом, то есть частицей существующей столь короткий промежуток времени, что факт его существования можно установить лишь по скачку на диаграмме сечения рождения вторичных частиц. Время жизни резонанса определяется по ширине этого пика: чем уже резонанс, тем дольше он существует. Для самого лёгкого фи-мезона эта ширина составляет {{nobr|4,249 ± 0,013 МэВ}}<ref name="мезоны" />, откуда можно получить, что [[Время жизни квантовомеханической системы|среднее время его жизни]] равно {{nobr|1,54{{e|−22}} с}}. Все остальные известные фи-мезоны имеют ещё меньшее время жизни — порядка {{e|−23}}-{{e|−24}} с.
[[Файл:OZI rule - Feynmann diagram.svg|мини|Диаграмма Фейнмана для распада фи-мезона на два каона]]
Как и все резонансы, фи-мезон распадается в основном за счёт сильного взаимодействия.
Основными для фи-мезона являются распады на два [[ка-мезон]]а:
:<math>\varphi \to K^+ + K^-</math> ([[Коэффициент ветвления (физика)|вероятность]] 49,1 %)<ref name="mesons-sumtab" />,
:<math>\varphi \to K_L^0 + K_S^0</math> (вероятность 33,9 %)<ref name="mesons-sumtab" />.

[[Файл:OZI rule - Feynmann diagram2.svg|мини|слева|Диаграмма Фейнмана для распада фи-мезона на три пиона]]
Другой возможный канал распада — это распад на три пи-мезона:
:<math>\varphi \to \pi^+ + \pi^- + \pi^0</math>,
который может происходить либо непосредственно, либо с образованием промежуточного резонанса — [[ро-мезон]]а:
:<math>\varphi \to \rho^\pm + \pi^\mp\to \pi^\pm + \pi^0 + \pi^\mp</math>,
:<math>\varphi \to \rho^0 + \pi^0\to \pi^+ + \pi^- + \pi^0</math>.
Общий [[Коэффициент ветвления (физика)|коэффициент ветвления]] в этом случае составляет лишь 15,4 %<ref name="mesons-sumtab">{{Статья|заглавие=Mesons. Summary tables|издание=Prog. Theor. Exp. Phys.|автор=Workman R. L. et al. (Particle Data Group)|ссылка=https://pdg.lbl.gov/2022/tables/rpp2022-sum-mesons.pdf|язык=en|год=2022|номер=083C01|archivedate=2022-08-28|archiveurl=https://web.archive.org/web/20220828134238/https://pdg.lbl.gov/2022/tables/rpp2022-sum-mesons.pdf}}</ref>, хотя этот вид распада является энергетически более выгодным, так как суммарная масса трёх пионов составляет 414,12 МэВ/c², в то время, как масса пары каонов составляет 985,33 МэВ/c² (заряженные) или 995,23 МэВ/c² (нейтральные). Подавление этого канала объясняется {{Не переведено 5|Правило Окубо — Цвейга — Иизуки|правилом Окубо — Цвейга — Иизуки|en|OZI rule}}.

Также фи-мезон может распадаться за счёт электромагнитного взаимодействия:
:<math>\varphi \to \eta + \gamma</math> (вероятность 1,3 %)<ref name="mesons-sumtab" />,
:<math>\varphi \to \pi^0 + \gamma</math> (вероятность 0,0032 %)<ref name="mesons-sumtab" />.

Кроме того, возможен распад фи-мезона на лептонную пару (электрон-позитрон или мюон-антимюон), но такой вид распада чрезвычайно редок:
:<math>\varphi \to e^- + e^+</math> (вероятность 2,98{{e|-4}} %)<ref name="mesons-sumtab" />,
:<math>\varphi \to \mu^- + \mu^+</math> (вероятность 2,85{{e|-4}} %)<ref name="mesons-sumtab" />.

== Возбуждённые состояния ==
Помимо φ(1020) — наиболее лёгкого и стабильного φ-мезона, известны и другие резонансы, относящиеся к этому типу. На сегодняшний день только три из них могут считаться надёжно установленными: φ(1680), φ<sub>3</sub>(1850) и φ(2170). Теоретические расчёты предсказывают существование и других возбуждённых состояний: φ(1850), φ(2050), φ<sub>2</sub>(1850)<ref name="BESIII">{{Статья|автор=Liu Pei-Lian, Fang Shuang-Shi, Lou Xin-Chou|заглавие=Strange quarkonium states at BESIII|издание=Chinese Physics C|язык=en|год=2015|том=39|номер=8|ссылка=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/39/8/082001/pdf|archivedate=2023-04-15|archiveurl=https://web.archive.org/web/20230415054624/https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/39/8/082001/pdf}}</ref>.
=== φ(1680) ===
Первое возбуждённое состояние φ(1680) было подтверждено в 1971 году<ref>{{Статья|автор=Matthews J. A. J. et al.|заглавие=Production and Decay of the  φ(1680)  in  π + d → pp π+ π− π0  at 6.95 GeV/c|издание=Phys. Rev. D |язык=en|год=1971|том=3|страницы=2561|doi=10.1103/PHYSREVD.3.2561}}</ref>.

Эта частица имеет массу 1680 ± 20 МэВ<ref name="мезоны">{{Статья|автор=Workmanet R. L. et al. (Particle Data Group)|заглавие=Light unflavored mesons (S = C = B = 0)|издание=Prog. Theor. Exp. Phys.|язык=en|год=2022|том=2022|номер=083C01|ссылка=https://pdg.lbl.gov/2022/tables/rpp2022-tab-mesons-light.pdf|archivedate=2023-04-15|archiveurl=https://web.archive.org/web/20230415120115/https://pdg.lbl.gov/2022/tables/rpp2022-tab-mesons-light.pdf}}</ref> (3,0{{e|−27}} кг). Ширина резонанса составляет 150 ± 50 МэВ<ref name="мезоны" />, что соответствует среднему времени жизни 4,4{{e|−24}} с.

Согласно кварковой модели, этот резонанс представляет собой систему кварк-антикварк с [[Спектральный терм|термом]] '''2{{sup|3}}S{{sub|1}}'''<ref name="q-model">{{Cite web|url=https://pdg.lbl.gov/2022/reviews/rpp2022-rev-quark-model.pdf|date=2022-08-11|title=15. Quark Model|access-date=2023-04-14|archive-date=2023-03-08|archive-url=https://web.archive.org/web/20230308133158/https://pdg.lbl.gov/2022/reviews/rpp2022-rev-quark-model.pdf|url-status=live}}</ref>

=== φ<sub>3</sub>(1850) ===
Второе возбуждённое состояние φ<sub>3</sub>(1850) было открыто в [[ЦЕРН]]е в 1981 году<ref>{{Статья|автор=Al-Harran S. et al.|заглавие=Observation of a <math>K\bar{K}</math> Enhancement at 1.85-GeV in the Reaction  <math>K^-p\to K\bar{K}\Lambda</math> at 8.25-GeV/c|издание=Phys. Lett. B|язык=en|год=1981|том=101|страницы=357—360|doi=10.1016/0370-2693(81)90063-0}}</ref>.

У этого мезона масса равна 1854 ± 7 МэВ<ref name="мезоны"/> (3,3{{e|-27}} кг). Ширина резонанса составляет 87{{±|28|23}} МэВ<ref name="мезоны" />, что соответствует среднему времени жизни 7,6{{e|−24}} с.

Согласно кварковой модели, этот резонанс представляет собой систему кварк-антикварк с [[Спектральный терм|термом]] '''1{{sup|3}}D{{sub|3}}'''<ref name="q-model" />

=== φ(2170) ===
В 2006 году коллаборацией [[BaBar]] было обнаружено третье возбуждённое состояние φ(2170)<ref>{{Статья|автор=Aubert B. et al. (BaBar Coll.)|заглавие=A Structure at 2175-MeV in <math>e^+e^-\to \phi f_0(980)</math>|издание=Phys. Rev. D|год=2006|том=74|doi=10.1103/PhysRevD.74.091103|язык=en}}</ref>, ранее обозначавшееся Y(2175).

Согласно кварковой модели, этот резонанс представляет собой систему кварк-антикварк с [[Спектральный терм|термом]] '''3{{sup|3}}S{{sub|1}}'''<ref name="BESIII" />, или '''2{{sup|3}}D{{sub|1}}'''<ref name="BESIII" />, или '''1{{sup|3}}D{{sub|1}}'''<ref name="q-model" />. Однако есть предположение, что он является [[тетракварк]]ом<ref>{{Статья|автор=Ke H.-W., Li X.-Q.|заглавие=Study of the strong decays of  ϕ(2170) and the future charm-tau factory|издание=Phys. Rev. D|ссылка=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.99.036014|язык=en|год=2019|том=99}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

{{Частицы}}

[[Категория:Онии]]
[[Категория:Мезоны]]