Пион (частица)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Пио́н, пи-мезо́н (греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются π0, π+ и π. Имеют наименьшую массу среди мезонов. Открыты в 1947 году.

Пион
Символ \pi^\pm \quad (\pi^0)
Масса 139,57018(35) (134,9766(6)) МэВ
Античастица \pi^{\mp} \quad (\pi^0)\,\!
Участвует во взаимодействиях Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное
Классы бозон, адрон, мезон
Квантовые числа
Электрический заряд ±1     (0)
Спин 0
Изотопический спин ±1     (0)
Барионное число 0
Странность 0
Очарование 0
Другие свойства
Время жизни 2,6033(5)·10−8 с
(8,20 ± 0,24)·10−17 с)
Схема распада μ+ + νμ     (2γ)
Кварковый состав u\bar{d},d\bar{u},(u\bar{u}-d\bar{d})


Свойства[править | править вики-текст]

Тезисно:

Виды π-мезонов, согласно кварковой модели:

  • Заряженные:
    • u- и анти-d-кварки — формируют π+-мезон;
    • Из d и анти-u-кварков — состоит античастица π+-мезона: π-мезон.
  • Электрически-нейтральные комбинации u и анти-u и d и анти-d — могут существовать только в виде суперпозиции, так как имеют одинаковый набор квантовых чисел. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции — π0-мезон, являющийся античастицей для себя самого (истинно нейтральная частица, подобно фотону).

Распад пи-мезонов[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Фейнмановская диаграмма доминирующего лептонного распада заряженного пиона.

Мезоны \pi^+, \pi^- имеют массу 139,6 MэВ/c² и относительно большой, — по ядерным меркам, — период полураспада: 2,6·10−8 секунды. Доминирующим (с вероятностью 99,9877 %) является канал распада в мюон и нейтрино или антинейтрино:

\pi^+\to\mu^++\nu_\mu, \,
\pi^-\to\mu^-+\bar{\nu}_\mu. \,

Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является сильно подавленный (0,0123 %) распад на позитрон и электронное нейтрино (\pi^+\to e^++\nu_e \,) для положительного пиона — и на электрон и электронное антинейтрино (\pi^-\to e^-+\bar{\nu}_e \,) для отрицательного пиона. Причина подавления электронных распадов по сравнению с мюонными — сохранение спиральности для ультрарелятивистских частиц: 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:

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.

Нейтральные[править | править вики-текст]

Нейтральный пи-мезон \pi^0 имеет немного меньшую массу: 135,0 MэВ/c² — и гораздо меньший период полураспада, чем заряженные пи-мезоны: (8{,}52 \pm 0{,}18)\cdot 10^{-17} секунды[1]. Главным (вероятность 98,798 %) является канал распада в два фотона:

\pi^0\to2\gamma. \,

История открытия[править | править вики-текст]

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

Заряженные пи-мезоны[править | править вики-текст]

В 1947 году — заряженные пионы были экспериментально обнаружены группой исследователей, под руководством Сесила Фрэнка Пауэлла. Поскольку достаточно мощных ускорителей в то время ещё не существовало (для рождения пионов) — проводился поиск с помощью фотопластинок, поднятых на аэростате в стратосферу, где они подвергались воздействию космических лучей (также, фотопластинки 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.

Электрически-нейтральные пи-мезоны[править | править вики-текст]

Обнаружить нейтральный мезон \pi^0 — гораздо сложнее (так как, — в силу своей электрической нейтральности, — он не оставляет следов в фотоэмульсии). Он был идентифицирован по продуктам распада в 1950 году.

Теоретический обзор[править | править вики-текст]

В настоящее время (согласно квантовой хромодинамике) — известно, что сильное взаимодействие осуществляется посредством глюонов.

Сигма-модель[править | править вики-текст]

Тем не менее, — можно сформулировать так называемую эффективную теорию взаимодействия внутриядерных частиц (Сигма-модель), в которой переносчиками 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. Например, силы взаимодействия, — переносимые пионами, — можно компактно описать при помощи потенциала Юкавы.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. π0 mean life. PDG Live.

Ссылки[править | править вики-текст]