Пион (частица)

Пио́н, пи-мезо́н (греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются π⁰ (встречается собственное название — нейтретто), 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.

Пион ($\pi ^{\pm }\quad (\pi ^{0})$)
Семья	бозон
Группа	адрон, мезон, псевдо-голдстоуновский бозон, псевдоскалярный бозон
Участвует во взаимодействиях	Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное
Античастица	$\pi ^{\mp }\quad (\pi ^{0})$
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: $u{\bar {d}},d{\bar {u}}$ нейтральный: $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$
Схема распада	μ+ + νμ     (2γ)
Медиафайлы на Викискладе

Свойства

Пионы всех видов:

• состоят из пары кварк-антикварк первого поколения;
• имеют отрицательную чётность и нулевой спин (поэтому эти частицы являются псевдоскалярными);
• являются псевдо-голдстоуновскими бозонами (бозонами Намбу—Голдстоуна со спонтанно нарушенной симметрией), поэтому они гораздо легче других мезонов (например, масса η-мезона равна 547,75 МэВ/c²).

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 $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$, 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 (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, так и скрытыми: странностью S, очарованием C, прелестью B′ и истинностью T.

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

Связанные системы пионов

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.

Распад пи-мезонов

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

Фейнмановская диаграмма доминирующего лептонного распада заряженного пиона

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

$\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu },$

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

Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является радиативный (то есть сопровождающийся гамма-квантом) вариант указанного выше распада ($\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }+\gamma$ и $\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }+\gamma$), который происходит лишь в 0,0200(25) % случаев. Следующим идёт сильно подавленный (0,01230(4) %) 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, 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:

$R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }-M_{e}}{M_{\pi }-M_{\mu }}}\right)^{2}.$

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

Как и в случае мюонных распадов, радиативные электронные распады ($\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma$ и $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma$) сильно подавлены по сравнению с безрадиативными, их вероятность лишь 7,39(5)⋅10⁻⁵ %.

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6)⋅10⁻⁶ %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино ($\pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e}$) и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино ($\pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}$). Подавление этого распада объясняется законом сохранения векторного тока в слабом взаимодействии.

Наконец, обнаружен ещё один тип распадов заряженных пионов. В этом случае продуктами распада положительного пиона являются позитрон, электронное нейтрино и электрон-позитронная пара ($\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}$), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара ($\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+e^{+}+e^{-}$). Вероятность такого распада составляет 3,2(5)⋅10⁻⁷ %.

Нейтральные

Нейтральный пи-мезон $\pi ^{0}$ имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/c²) и гораздо меньшее время жизни, чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18)⋅10⁻¹⁷ секунды. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона:

$\pi ^{0}\to 2\gamma .$

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:

$\pi ^{0}\to \gamma +e^{+}+e^{-}$

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

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:

$\pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}+e^{-},$

$\pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}.$

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) %).

История открытия

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

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 Чакалтая 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

Обнаружить нейтральный мезон $\pi ^{0}$ 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.

Переносчики сильного взаимодействия

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

Литература

• Бете Г., Гофман Ф. Мезоны и поля. Том II. Мезоны. - М., ИЛ, 1957. - 514 c.
• Кириллов-Угрюмов В. Г., Никитин Ю. П., Сергеев Ф. М. Атомы и мезоны. - М., Атомиздат, 1980. - 216 c.

Ссылки

• Экспериментальные свойства заряженных Архивная копия от 29 марта 2020 на Wayback Machine и нейтральных Архивная копия от 29 марта 2020 на Wayback Machine пионов (сайт Particle Data Group, англ.) .
• Физики точно измеряют время жизни нейтрального пиона Архивная копия от 29 мая 2021 на Wayback Machine