Меню Главная Случайная статья Настройки Пион (частица) Материал из https://ru.wikipedia.org Пион, пи-мезон (греч.  — буква пи и  — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются Содержание 1 Свойства 2 Связанные системы пионов 3 Распад пи-мезонов 3.1 Заряженные 3.2 Нейтральные 4 История открытия 4.1 Заряженные пи-мезоны 4.2 Электрически нейтральные пи-мезоны 5 Переносчики сильного взаимодействия 6 Примечания 7 Литература 8 Ссылки Свойства Пионы всех видов: состоят из пары кварк-антикварк первого поколения; отрицательная чётность и нулевой спин (поэтому эти частицы являются псевдоскалярными); псевдо-голдстоуновские бозоны (бозоны Намбу—Голдстоуна со спонтанно нарушенной симметрией), они гораздо легче других мезонов (например, масса -мезона равна 547,75 МэВ/ Виды Заряженные: -кварк и анти--кварк формируют Из Электрически нейтральные комбинации (u + анти-u) и (d + анти-d) могут существовать только в виде их суперпозиции ${\displaystyle (u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}}$, так как несут одинаковый набор квантовых чисел. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции — 0-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, так и скрытыми: странностью S, очарованием C, прелестью B и истинностью T. Зарядовый радиус заряженных пионов равен 0,659(4) фм[2]. 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. 31015 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[3]. 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 Мезоны ${\displaystyle \pi ^{+},\pi ^{-}}$ имеют массу 139,57061(24) MэВ/c и относительно большое, по ядерным меркам, время жизни: 2,6033(5)108 секунды[4]. Доминирующим (с вероятностью 99,98770(4) %) является канал распада в мюон и мюонное нейтрино или антинейтрино: ${\displaystyle \pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu },}$ ${\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }.}$ Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является радиативный (то есть сопровождающийся гамма-квантом) вариант указанного выше распада (${\displaystyle \pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }+\gamma }$ и ${\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }+\gamma }$), который происходит лишь в 0,0200(25) % случаев[4]. Следующим идёт сильно подавленный (0,01230(4) %) распад на позитрон и электронное нейтрино (${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}}$) для положительного пиона и на электрон и электронное антинейтрино (${\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$) — для отрицательного пиона[4]. 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: ${\displaystyle R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }-M_{e}}{M_{\pi }-M_{\mu }}}\right)^{2}.}$ 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 (${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma }$ и ${\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma }$) сильно подавлены по сравнению с безрадиативными, их вероятность лишь 7,39(5)105 %[4]. Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6)106 %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино (${\displaystyle \pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e}}$) и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино (${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}}$)[4]. Подавление этого распада объясняется законом сохранения векторного тока в слабом взаимодействии[5]. Наконец, обнаружен ещё один тип распадов заряженных пионов. В этом случае продуктами распада положительного пиона являются позитрон, электронное нейтрино и электрон-позитронная пара (${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}}$), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара (${\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+e^{+}+e^{-}}$). Вероятность такого распада составляет 3,2(5)107 %[4]. Нейтральные Нейтральный пи-мезон ${\displaystyle \pi ^{0}}$ имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/c) и гораздо меньшее время жизни, чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18)1017 секунды[4]. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона[4]: ${\displaystyle \pi ^{0}\to 2\gamma .}$ 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[4]: ${\displaystyle \pi ^{0}\to \gamma +e^{+}+e^{-}}$ (включая редкий вариант, когда электрон-позитронная пара рождается в связанном состоянии — в виде позитрония; вероятность такого исхода составляет 1,82(29)107 %[4]). Следующие по вероятности каналы распада нейтрального пиона — безрадиативные распады в две (вероятность 3,34(16)103)%) и одну (6,46(33)106)%) электрон-позитронные пары[4]: ${\displaystyle \pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}+e^{-},}$ ${\displaystyle \pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}.}$ Предсказаны, но пока не обнаружены каналы распада в четыре фотона (экспериментально вероятность ограничена величиной менее 2106) %) и в нейтрино-антинейтринную пару (менее 2,7105) %)[4]. 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 ${\displaystyle \pi ^{0}}$ 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[6]. 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[7]. Силы взаимодействия, переносимые пионами (например, ядерные силы, связывающие нуклоны в атомном ядре), можно компактно описать при помощи потенциала Юкавы. Примечания Франкфурт У. И. Закон сохранения и превращения энергии. — 1е. — М.: Наука, 1978. — С. 158. — 196 с. Tanabashi M. et al. (Particle Data Group). ± (англ.) // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 98. — P. 030001. Архивировано 29 марта 2020 года. Adeva B. et al. Determination of scattering lengths from measurement of ++ atom lifetime (англ.) // Physics Letters B. — 2011. — Vol. 704, iss. 1—2. — P. 24—29. — doi:10.1016/j.physletb.2011.08.074. — . — arXiv:1109.0569. 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. Архивировано 12 августа 2020 года. 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. XX век). — ISBN 5-02-035321-3. Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий. — М.: Мир, 1975. — С. 85—88. Вентцель Г. Введение в квантовую теорию волновых полей. — М.: ОГИЗ Техтеориздат, 1947. — С. 92—136. 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