Пио́н , пи-мезо́н ( греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний ) — три вида субатомных частиц из группы мезонов . Обозначаются π ⁰ , π ⁺ и π ⁻ . Имеют наименьшую массу среди мезонов. Открыты в 1947 году . Являются переносчиками ядерных сил между нуклонами в ядре. Заряженные пионы обычно распадаются на мюон и мюонное (анти) нейтрино , нейтральные — на два гамма-кванта .

Свойства

Пионы всех видов:

• состоят из пары кварк - антикварк первого поколения;
• имеют отрицательную чётность и нулевой спин (поэтому эти частицы являются псевдоскалярными );
• являются псевдо- голдстоуновскими бозонами ( бозонами Намбу — Голдстоуна со спонтанно нарушенной симметрией ), поэтому они гораздо легче других мезонов (например, масса η-мезона равна 547,75 М эВ / c ²).

Виды π -мезонов, согласно кварковой модели:

• Заряженные :
  • u -кварк и анти- d -кварк формируют π ⁺ -мезон;
  • Из d -кварка и анти- u -кварка состоит π ⁻ -мезон, античастица π ⁺ -мезона.
• Электрически нейтральные комбинации ( u + анти- u ) и ( d + анти- d ) могут существовать только в виде их суперпозиции ${\displaystyle (u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}}$ , так как несут одинаковый набор квантовых чисел . Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции — π ⁰ -мезон, являющийся античастицей для себя самого ( истинно нейтральная частица , подобно фотону ). Нейтральный пион, состоящий из кварка и соответствующего ему антикварка (точнее, из суперпозиции таких состояний), представляет собой один из видов (англ.) ( (связанных состояний частицы и античастицы). Его можно было бы назвать кварконием , однако обычно этот термин относят к системам из тяжёлых кварков.

Все пионы состоят из кварков и антикварков первого поколения, поэтому они обладают нулевыми ароматами , как явными, так и скрытыми: странностью S , очарованием C , прелестью B′ и истинностью T .

Зарядовый радиус заряженных пионов равен 0,659(4) фм .

Связанные системы пионов

Отрицательно заряженный пион может захватываться атомным ядром на орбиту, подобную электронной, и образовывать с ним короткоживущий экзотический атом — так называемый .

Два разнозаряженных пиона могут образовывать связанную систему — пионий , экзотический атом, связанный главным образом кулоновским притяжением. Время жизни такой системы (ок. 3⋅10 ⁻¹⁵ с) значительно меньше времени жизни одиночного заряженного пиона, поскольку входящие в него частица и античастица быстро аннигилируют друг с другом, образуя обычно два нейтральных пиона, каждый из которых затем распадается на два фотона .

Распад пи-мезонов

Распад нейтрального пиона обусловлен электромагнитным взаимодействием, тогда как заряженные пионы распадаются посредством слабого взаимодействия, константа связи которого значительно меньше. Поэтому периоды полураспадов нейтрального и заряженного пионов существенно различаются.

Заряженные

Мезоны ${\displaystyle \pi ^{+},\pi ^{-}}$ имеют массу 139,57061(24) MэВ/ c ² и относительно большое, по ядерным меркам, время жизни : 2,6033(5)⋅10 ⁻⁸ секунды . Доминирующим (с вероятностью 99,98770(4) %) является канал распада в мюон и мюонное нейтрино или антинейтрино :

${\displaystyle \pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu },}$

${\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }.}$

Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является радиативный (то есть сопровождающийся гамма-квантом) вариант указанного выше распада ( ${\displaystyle \pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }+\gamma }$ и ${\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }+\gamma }$ ), который происходит лишь в 0,0200(25) % случаев . Следующим идёт сильно подавленный (0,01230(4) %) распад на позитрон и электронное нейтрино ( ${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}}$ ) для положительного пиона и на электрон и электронное антинейтрино ( ${\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$ ) — для отрицательного пиона . Причина подавления «электронных» распадов по сравнению с «мюонными» — сохранение спиральности для ультрарелятивистских частиц, возникающих в «электронных» распадах: кинетическая энергия как электрона, так и нейтрино в этом распаде значительно больше их масс, поэтому их спиральность (с хорошей точностью) сохраняется, и распад подавляется, по отношению к мюонной моде, множителем:

${\displaystyle R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }-M_{e}}{M_{\pi }-M_{\mu }}}\right)^{2}.}$

Измерения этого множителя позволяют проверить наличие возможных малых правых примесей к левым ( V − A ) заряженным токам в слабом взаимодействии.

Как и в случае мюонных распадов, радиативные электронные распады ( ${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma }$ и ${\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma }$ ) сильно подавлены по сравнению с безрадиативными, их вероятность лишь 7,39(5)⋅10 ⁻⁵ % .

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6)⋅10 ⁻⁶ %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино ( ${\displaystyle \pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e}}$ ) и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино ( ${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}}$ ) . Подавление этого распада объясняется законом сохранения векторного тока в слабом взаимодействии .

Наконец, обнаружен ещё один тип распадов заряженных пионов. В этом случае продуктами распада положительного пиона являются позитрон, электронное нейтрино и электрон-позитронная пара ( ${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}}$ ), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара ( ${\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+e^{+}+e^{-}}$ ). Вероятность такого распада составляет 3,2(5)⋅10 ⁻⁷ % .

Нейтральные

Нейтральный пи-мезон ${\displaystyle \pi ^{0}}$ имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/ c ²) и гораздо меньшее время жизни , чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18)⋅10 ⁻¹⁷ секунды . Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона :

${\displaystyle \pi ^{0}\to 2\gamma .}$

Каждый из этих фотонов уносит энергию 67,49 МэВ (если распавшийся пион покоился).

Вторым по вероятности (1,174(35)%) является канал распада в фотон и электрон-позитронную пару :

${\displaystyle \pi ^{0}\to \gamma +e^{+}+e^{-}}$

(включая редкий вариант, когда электрон-позитронная пара рождается в связанном состоянии — в виде позитрония ; вероятность такого исхода составляет 1,82(29)⋅10 ⁻⁷ % ).

Следующие по вероятности каналы распада нейтрального пиона — безрадиативные распады в две (вероятность 3,34(16)⋅10 ⁻³⁾ %) и одну (6,46(33)⋅10 ⁻⁶⁾ %) электрон-позитронные пары :

${\displaystyle \pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}+e^{-},}$

${\displaystyle \pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}.}$

Предсказаны, но пока не обнаружены каналы распада в четыре фотона (экспериментально вероятность ограничена величиной менее 2⋅10 ⁻⁶ ) %) и в нейтрино-антинейтринную пару (менее 2,7⋅10 ⁻⁵ ) %) .

История открытия

В теоретической работе Хидэки Юкавы в 1935 году было предсказано, что существуют частицы, переносящие сильное взаимодействие , — мезоны (первоначально Юкава предложил название мезотрон , но был исправлен Вернером Гейзенбергом , чей отец преподавал греческий язык ).

Заряженные пи-мезоны

В 1947 году заряженные пионы были экспериментально обнаружены группой исследователей под руководством Сесила Фрэнка Пауэлла . Поскольку ускорителей , достаточно мощных для рождения пионов, в то время ещё не существовало, проводился поиск с помощью фотопластинок , поднятых на аэростате в стратосферу , где они подвергались воздействию космических лучей (фотопластинки также устанавливались в горах, — например, в астрофизической лаборатории на вулкане « Чакалтайя » в Андах ). После спуска воздушного шара на фотоэмульсии были обнаружены следы заряженных частиц, среди которых были мезоны. За свои достижения Юкава (в 1949 году ) и Пауэлл (в 1950 году ) были награждены Нобелевской премией по физике .

Электрически нейтральные пи-мезоны

Обнаружить нейтральный мезон ${\displaystyle \pi ^{0}}$ гораздо сложнее (так как в силу своей электрической нейтральности он не оставляет следов в фотоэмульсиях и других трековых детекторах). Он был идентифицирован по продуктам распада в 1950 году . Время жизни нейтральных мезонов было экспериментально определено в 1963 году .

Переносчики сильного взаимодействия

В настоящее время (согласно квантовой хромодинамике ) известно, что сильное взаимодействие осуществляется посредством глюонов . Тем не менее можно сформулировать так называемую эффективную теорию взаимодействия внутриядерных частиц ( ), в которой переносчиками ядерных сил взаимодействия являются пионы. Несмотря на то, что эта теория (предложенная Юкавой) верна только в определённом диапазоне энергий, она позволяет проводить в нём упрощённые вычисления и даёт наглядные объяснения . Силы взаимодействия, переносимые пионами (например, ядерные силы, связывающие нуклоны в атомном ядре ), можно компактно описать при помощи потенциала Юкавы .

Примечания

Литература

• Бете Г. , Гофман Ф. Мезоны и поля. Том II. Мезоны. - М., ИЛ , 1957. - 514 c.
• Кириллов-Угрюмов В. Г. , Никитин Ю. П., Сергеев Ф. М. Атомы и мезоны. - М., Атомиздат , 1980. - 216 c.

Ссылки

• Экспериментальные свойства от 29 марта 2020 на Wayback Machine и от 29 марта 2020 на Wayback Machine пионов (сайт , англ.) .
• от 29 мая 2021 на Wayback Machine