Пион (частица)

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

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

Пион
Символ π± (π0)
Масса 139,57018(35) (134,9766(6)) МэВ
Античастица \pi^{\mp} \quad (\pi^0)\,\!
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
(8,4(6)·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 исходный текст]

Пионы имеют нулевой спин и состоят из пары кварк-антикварк первого поколения. Согласно кварковой модели u- и анти-d-кварки формируют π+-мезон, из d и анти-u-кварков состоит его античастица, π-мезон. Электрически-нейтральные комбинации u и анти-u и d и анти-d могут существовать только в виде суперпозиции, так как они имеют одинаковый набор квантовых чисел. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции есть π0 мезон, который является античастицей для себя самого (истинно нейтральная частица, подобно фотону).

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 электрон и электронное антинейтрино (\pi^-\to e^-+\bar{\nu}_e \,) для отрицательного пиона. Причиной подавления электронных распадов по сравнению с мюонными служит 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.

Нейтральный пи-мезон \pi^0 имеет немного меньшую массу 135,0 MэВ/c² и гораздо меньший период полураспада 8,4·10−17 секунды. Главным (вероятность 98,798 %) является канал распада в два фотона:

\pi^0\to2\gamma. \,

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.

Чётность пиона отрицательна, его спин нулевой, поэтому эта частица является псевдоскалярной.

История открытия[править | править исходный текст]

В теоретической работе Х. Юкавы в 1935 году было предсказано существование частиц, переносящих сильное взаимодействие — мезонов (первоначально Юкава предложил название мезотрон, но был исправлен В. Гейзенбергом, чей отец преподавал греческий язык). В 1947 году заряженные пионы были экспериментально обнаружены группой исследователей под руководством С. Пауэлла. Поскольку ускорителей с энергией, достаточной для рождения пионов, в то время ещё не существовало, поиск проводился 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 Х. Юкава в 1949 г. и С. Пауэлл в 1950 г. были награждены Нобелевской премией.

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

Пионы являются псевдо-голдстоуновскими бозонами (бозонами Намбу — Голдстоуна со спонтанно нарушенной симметрией). Это является причиной того, что масса пионов гораздо меньше массы других мезонов, например η-мезона (547,75 МэВ/c²).

Теоретический обзор[править | править исходный текст]

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 (Сигма-модель), в которой переносчиками взаимодействия являются пионы. Несмотря на то, что эта теория (предложенная Х. Юкавой) верна только в определенном диапазоне энергий, она позволяет проводить упрощенные вычисления в этом диапазоне и давать более наглядные объяснения. Например, силы взаимодействия, переносимые пионами, можно компактно описать при помощи потенциала Юкавы.

Ссылки[править | править исходный текст]