Пион (частица)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пион ()
Quark structure pion.svg
Семья бозон
Группа адрон, мезон, псевдо-голдстоуновский бозон, псевдоскалярный бозон
Участвует во взаимодействиях Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное
Античастица
Кол-во типов 3
Масса заряженные: 139,57061(24) МэВ
нейтральный: 134,9770(5) МэВ
Время жизни заряженные: 2,6033(5)⋅10−8 с
нейтральный: 8,20(0,24)⋅10−17 с
Теоретически обоснована Хидэки Юкава, в 1935 году
Обнаружена В 1947 году
В честь кого или чего названа греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний
Квантовые числа
Электрический заряд ±1     (0)
Барионное число 0
Спин 0 ħ
Чётность −1
Изотопический спин ±1     (0)
Третья компонента слабого изоспина +1
Странность 0
Очарование 0
Гиперзаряд 0
Слабый гиперзаряд 0, -2;-1
Другие свойства
Кварковый состав заряженные:
нейтральный:
Схема распада μ+ + νμ     (2γ)
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

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. Являются переносчиками ядерных сил между нуклонами в ядре. Заряженные пионы обычно распадаются на мюон и мюонное (анти)нейтрино, нейтральные — на два гамма-кванта.

Свойства[править | править код]

Пионы всех видов:

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 , так как несут одинаковый набор квантовых чисел. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции — π0-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 ониев (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, как и скрытыми: странностью S, очарованием C, прелестью B′ и истинностью T.

Зарядовый радиус заряженных пионов равен 0,659(4) фм[1].

Связанные системы пионов[править | править код]

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

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[2].

Распад пи-мезонов[править | править код]

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 код]

Фейнмановская диаграмма доминирующего лептонного распада заряженного пиона

Мезоны имеют массу 139,57061(24) MэВ/c² и относительно большое, по ядерным меркам, время жизни: 2,6033(5)⋅10−8 секунды[3]. Доминирующим (с вероятностью 99,98770(4) %) является канал распада в мюон и мюонное нейтрино или антинейтрино:

Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является радиативный (то есть сопровождающийся гамма-квантом) вариант указанного выше распада ( и ), который происходит лишь в 0,0200(25) % случаев[3]. Следующим идёт сильно подавленный (0,01230(4) %) распад на позитрон и электронное нейтрино () для положительного пиона и на электрон и электронное антинейтрино () — для отрицательного пиона[3]. 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:

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 ( и ) сильно подавлены по сравнению с безрадиативными, их вероятность лишь 7,39(5)⋅10−5 %[3].

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6)⋅10−6 %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино () и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино ()[3]. Подавление этого распада объясняется законом сохранения векторного тока в слабом взаимодействии[4]

Наконец, обнаружен ещё один тип распадов заряженных пионов. В этом случае продуктами распада положительного пиона являются позитрон, электронное нейтрино и электрон-позитронная пара (), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара (). Вероятность такого распада составляет 3,2(5)⋅10−7 %[3].

Нейтральные[править | править код]

Нейтральный пи-мезон имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/c²) и гораздо меньшее время жизни, чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18)⋅10−17 секунды[3]. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона[3]:

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[3]:

(включая редкий вариант, когда электрон-позитронная пара рождается в связанном состоянии — в виде позитрония; вероятность такого исхода составляет 1,82(29)⋅10−7 %[3]).

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[3]:

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) %)[3].

История открытия[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

Обнаружить нейтральный мезон 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[5].

Переносчики сильного взаимодействия[править | править код]

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 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[6]. Силы взаимодействия, переносимые пионами (например, ядерные силы, связывающие нуклоны в атомном ядре), можно компактно описать при помощи потенциала Юкавы.

Примечания[править | править код]

  1. Tanabashi M. et al. (Particle Data Group). π± (англ.) // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 98. — P. 030001. Открытый доступ
  2. Adeva B. et al. Determination of ππ scattering lengths from measurement of π+ππ+π atom lifetime (англ.) // Physics Letters B. — 2011. — Vol. 704, iss. 1—2. — P. 24—29. — doi:10.1016/j.physletb.2011.08.074. — Bibcode2011PhLB..704...24A. — arXiv:1109.0569. Открытый доступ
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tanabashi M. et al. (Particle Data Group). Light unflavored mesons (S = C = B = 0) (англ.) // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 98. — P. 030001.Открытый доступ
  4. Прокошкин Ю. Д., Дунайцев А. Ф., Петрухин В. И., Рыкалин В. И. Бета-распад пиона // Физика элементарных частиц : Избранные труды / Ю. Д. Прокошкин ; Российская академия наук, Институт физики высоких энергий ; ред. Л. Г. Ландсберг. — М: Наука, 2006. — С. 51—58. — (Памятники отечественной науки. ХХ век). — ISBN 5-02-035321-3.
  5. Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий. — М.: Мир, 1975. — С. 85—88.
  6. Вентцель Г. Введение в квантовую теорию волновых полей. — М: ОГИЗ Техтеориздат, 1947. — С. 92—136.

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]