Пио́н, пи-мезо́н ( — буква пи и  — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются (встречается собственное название — нейтретто), и . Наименьшая масса среди мезонов. Открыты в 1947. Переносчики ядерных сил между нуклонами в ядре. Заряженные пионы обычно распадаются на мюон и мюонное (анти)нейтрино, нейтральные — на два гамма-кванта.

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 η-мезона равна 547,75 МэВ/²)

Виды -мезонов, согласно кварковой модели: Заряженные: -кварк и анти--кварк формируют -мезон; Из -кварка и анти--кварка состоит -мезон, античастица -мезона. Электрически нейтральные комбинации ( + анти-) и ( + анти-) могут существовать только в виде их суперпозиции , так как несут одинаковый набор квантовых чисел. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции — -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 (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 , очарованием , прелестью и истинностью .

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 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

Мезоны имеют массу 139,57061(24) MэВ/² и относительно большое, по ядерным меркам, время жизни: 2,6033(5) секунды. 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. 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. 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 () 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) %.

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6) %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино () и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино (). 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 (), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара (). Вероятность такого распада составляет 3,2(5) %.

Нейтральные Нейтральный пи-мезон имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/²) и гораздо меньшее время жизни, чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18) секунды. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона:

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:

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

Следующие по вероятности каналы распада нейтрального пиона — безрадиативные распады в две (вероятность 3,34(16)%) и одну (6,46(33)%) электрон-позитронные пары:

Предсказаны, но пока не обнаружены каналы распада в четыре фотона (экспериментально вероятность ограничена величиной менее 2) %) и в нейтрино-антинейтринную пару (менее 2,7) %).

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 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.

Примечания

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 и нейтральных пионов (сайт Particle Data Group, англ.) . Физики точно измеряют время жизни нейтрального пиона

Категория:Мезоны