Пио́н, пи-мезо́н (греч.πῖ — буква пи и μέσον — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются π0 (встречается собственное название — нейтретто[1]), 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.
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, 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[англ.] (связанных состояний частицы и античастицы). Его можно было бы назвать кварконием, однако обычно этот термин относят к системам из тяжёлых кварков.
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[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 имеют массу 139,57061(24) MэВ/c² и относительно большое, по ядерным меркам, время жизни: 2,6033(5)⋅10−8 секунды[4]. 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[4]. 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[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:
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 ( и ) сильно подавлены по сравнению с безрадиативными, их вероятность лишь 7,39(5)⋅10−5 %[4].
Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6)⋅10−6 %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино () и отрицательного пиона на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино ()[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 (), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара (). Вероятность такого распада составляет 3,2(5)⋅10−7 %[4].
Нейтральные
Нейтральный пи-мезон имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/c²) и гораздо меньшее время жизни, чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18)⋅10−17 секунды[4]. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона[4]:
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]:
(включая редкий вариант, когда электрон-позитронная пара рождается в связанном состоянии — в виде позитрония; вероятность такого исхода составляет 1,82(29)⋅10−7 %[4]).
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[4]:
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) %)[4].
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[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).π± (англ.) // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 98. — P. 030001. Архивировано 29 марта 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.