Фи-мезон

Фи-мезон — элементарная частица со скрытой странностью и изотопическим спином 0, представляющая собой мезонные резонансы с чётным орбитальным квантовым числом. Она образует синглет, дополняющий октет векторных мезонов, то есть является аналогом η′-мезона.

История открытияПравить

Первые свидетельства существования φ-мезона были получены в 1961-1962 годах в в Брукхейвенской национальной лаборатории. На основании этих данных Дзюном Сакураи^[en] было сделано предположение о природе этого резонанса.

Надёжное подтверждение открытия φ-мезона было сделано в 1962 году на Беватроне в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и на синхротроне AGS в Брукхейвенской национальной лаборатории.

В 1968 году на синхрофазотроне в Объединённом институте ядерных исследований впервые зафиксирован распад φ-мезона на электрон-позитронную пару.

Первое возбуждённое состояние φ(1680) подтверждено в 1971 году, третье φ(2170) — открыто на коллайдере BEPC II в 2008 году.

ХарактеристикиПравить

Далее представлены характеристики самого лёгкого φ-мезона и трёх его наиболее хорошо изученных возбуждённых состояний.

Частица	Кварковый состав	Энергия покоя, МэВ	IG	JPC	Q	S	c	b	Среднее время жизни, с	Основная мода распада
φ(1020)	$s\stackrel{¯<!--\; ¯\; -->}{s}$$s{\bar {s}}$	1019,455 ± 0,020	0−	1−−	0	0	0	0	1,54⋅10−22	K+ + K−
φ(1680)	$s\stackrel{¯<!--\; ¯\; -->}{s}$$s{\bar {s}}$	1680 ± 20	0−	1−−	0	0	0	0	4,4⋅10−24	K+ + K*−(892)
φ3(1850)	$s\stackrel{¯<!--\; ¯\; -->}{s}$$s{\bar {s}}$	1854 ± 7	0−	3−−	0	0	0	0	7,6⋅10−24	K+ + K−
φ(2170)	$s\stackrel{¯<!--\; ¯\; -->}{s}$$s{\bar {s}}$	2162 ± 7	0−	1−−	0	0	0	0	6,6⋅10−24	e+ + e−

Моды распадаПравить

 

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-мезона:

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->K^{+}+K^{-<!--\; -\; -->}$$\varphi \to K^{+}+K^{-}$  (вероятность 49,1 %),

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->K_L^0+K_S^0$$\varphi \to K_{L}^{0}+K_{S}^{0}$  (вероятность 33,9 %).

 

Диаграмма Фейнмана для распада фи-мезона на три пиона

Другой возможный канал распада — это распад на три пи-мезона:

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{+}+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{-<!--\; -\; -->}+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^0$$\varphi \to \pi ^{+}+\pi ^{-}+\pi ^{0}$ ,

который может происходить либо непосредственно, либо с образованием промежуточного резонанса — ро-мезона:

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}^{\pm <!--\; \pm \; -->}+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{\mp <!--\; \mp \; -->}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{\pm <!--\; \pm \; -->}+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^0+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{\mp <!--\; \mp \; -->}$$\varphi \to \rho ^{\pm }+\pi ^{\mp }\to \pi ^{\pm }+\pi ^{0}+\pi ^{\mp }$ ,

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}^0+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^0\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{+}+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^{-<!--\; -\; -->}+{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^0$$\varphi \to \rho ^{0}+\pi ^{0}\to \pi ^{+}+\pi ^{-}+\pi ^{0}$ .

Общий коэффициент ветвления в этом случае составляет лишь 15,4 %, 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 правилом Окубо — Цвейга — Иизуки^[en].

Также фи-мезон может распадаться за счёт электромагнитного взаимодействия:

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->\mathrm{\eta <!--\; \eta \; -->}+\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}$$\varphi \to \eta +\gamma$  (вероятность 1,3 %),

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^0+\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}$$\varphi \to \pi ^{0}+\gamma$  (вероятность 0,0032 %).

Кроме того, возможен распад фи-мезона на лептонную пару (электрон-позитрон или мюон-антимюон), но такой вид распада чрезвычайно редок:

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->e^{-<!--\; -\; -->}+e^{+}$$\varphi \to e^{-}+e^{+}$  (вероятность 2,98⋅10^-4 %),

$\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}^{-<!--\; -\; -->}+{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}^{+}$$\varphi \to \mu ^{-}+\mu ^{+}$  (вероятность 2,85⋅10^-4 %).