Пион (частица)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Пи-мезон»)
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 ()
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 139,57018(35) (134,9766(6)) МэВ
Время жизни 2,6033(5)⋅10−8 с
(8,20 ± 0,24)⋅10−17 с)
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 -
Изотопический спин ±1     (0)
Третья компонента слабого изоспина +1
Странность 0
Очарование 0
Гиперзаряд 0
Слабый гиперзаряд 0, -2;-1
Другие свойства
Кварковый состав
Схема распада μ+ + νμ     (2γ)
Теоретически обоснована Хидэки Юкава, в 1935 году
Обнаружена В 1947 году

Свойства[править | править код]

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 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 139,6 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:

Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является сильно подавленный (0,0123 %) распад на позитрон и электронное нейтрино () для положительного пиона — и на электрон и электронное антинейтрино () 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:

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

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,04 * 10-8) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино () и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино (), объясняемый законом сохранения векторного тока при слабом взаимодействии[1]

Нейтральные[править | править код]

Нейтральный пи-мезон имеет немного меньшую массу: 135,0 MэВ/c² — и гораздо меньший период полураспада, чем заряженные пи-мезоны: секунды[2]. Главным (вероятность 98,798 %) является канал распада в два фотона:

История открытия[править | править код]

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 код]

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 код]

Обнаружить нейтральный мезон — 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 код]

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

Сигма-модель[править | править код]

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.[3] Например, силы взаимодействия, — переносимые пионами, — можно компактно описать при помощи потенциала Юкавы.

Примечания[править | править код]

  1. Ю. Д. Прокошкин, А. Ф. Дунайцев, В. И. Петрухин, В. И. Рыкалин Бета-распад пиона // Ю. Д. Прокошкин Физика элементарных частиц. - М., Наука, 2006. - с. 51-58
  2. π0 mean life. PDG Live. (недоступная ссылка)
  3. Г. Вентцель Введение в квантовую теорию волновых полей. - М., ОГИЗ Техтеориздат, 1947. - с. 92-136

Ссылки[править | править код]