Пи-мезон

Пио́н, пи-мезо́н (греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются $\pi^0,\,$ $\pi^+\,$ и $\pi^-.\,$ Пионы имеют наименьшую массу среди мезонов. Открыты в 1947 году.

Пион
Символ	π± (π0)
Масса	139,57018(35) (134,9766(6))
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

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 $\pi^+,\quad \pi^-$ 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 π⁰ 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

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 еще не существовало, опыты проводились с фотопластинкой, поднятой при помощи воздушного шара на большую высоту, где она подверглась воздействию космических лучей (фотопластинки также устанавливались в горах, например, в астрофизической лаборатории на вулкане Чакалтайя в Андах). После спуска воздушного шара, на фотоэмульсии обнаружили 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 π⁰ гораздо сложнее, так как в силу своей электрической нейтральности он не оставляет следов в фотоэмульсии. Мезон π⁰ 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, напр. η-мезона (547,75 МэВ/c²).

Теоретический обзор

В настоящее время, согласно квантовой хромодинамике, известно, что сильное взаимодействие осуществляется посредством глюонов. Тем не менее, можно сформулировать т. н. 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

• Экспериментальные свойства заряженных и нейтральных пионов (сайт Particle Data Group, англ.).

Частицы в физике — составные частицы

Адроны: Барионы (список) | Мезоны (список) Барионы: Нуклоны(Протон, Нейтрон) | Гипероны | Экзотические барионы | Пентакварки Мезоны: Пионы | Каоны | Кварконий | Экзотические мезоны Атомные ядра | Атомы (Периодическая система элементов) | Молекулы