В физике элементарных частиц , пион (или пи - мезон , обозначается с греческой буквой пи :
π
) представляет собой любую из трех субатомных частиц :
π0
,
π+
, а также
π-
. Каждый пион состоит из кварка и антикварка и, следовательно, является мезоном . Пионы - это легчайшие мезоны и, в более общем смысле, легчайшие адроны . Они нестабильны, с заряженными пионами
π+
а также
π-
распадается после среднего срока службы 26,033 наносекунды (2,6033 × 10 −8 секунд), а нейтральный пион
π0
распадается после гораздо более короткого срока службы в 85 аттосекунд (8,5 × 10 −17 секунд). [1] Заряженные пионы чаще всего распадаются на мюоны и мюонные нейтрино , тогда как нейтральные пионы обычно распадаются на гамма-лучи .
Состав | π+ : ты d π0 : ты ты или же d d π- : d ты |
---|---|
Статистика | Бозонный |
Взаимодействия | Сильный , Слабый , Электромагнитный и Гравитационный |
Символ | π+ , π0 , а также π- |
Античастица | π+ : π- π0 : себя |
Теоретически | Хидэки Юкава (1935) |
Обнаруженный | Сезар Латтес , Джузеппе Оккиалини (1947), Сесил Пауэлл , |
Типы | 3 |
Масса | π± : 139,570 39 (18) МэВ / c 2 [1] π0 : 134,9768 (5) МэВ / c 2 [1] |
Средняя продолжительность жизни | π± : 2,6 × 10 −8 с , π0 : 8,5 × 10 −17 с |
Электрический заряд | π+ : +1 e π0 : 0 e π- : −1 e |
Цвет заряда | 0 |
Вращение | 0 |
Паритет | −1 |
Обмен виртуальными пионами, а также векторными , ро- и омега-мезонами дает объяснение остаточной сильной силе между нуклонами . Пионы не образуются при радиоактивном распаде , но обычно происходят при столкновениях адронов при высоких энергиях . Пионы также возникают в результате некоторых событий аннигиляции вещества и антивещества . Все типы пионов также образуются в естественных процессах, когда протоны космических лучей высокой энергии и другие адронные компоненты космических лучей взаимодействуют с веществом в атмосфере Земли. В 2013 году обнаружение характеристических гамма-лучей, возникающих при распаде нейтральных пионов в двух остатках сверхновых , показало, что пионы в большом количестве образуются после сверхновых, скорее всего, в связи с образованием протонов высокой энергии, которые обнаруживаются на Земле как космические лучи. [2]
Пион также играет решающую роль в космологии, устанавливая верхний предел энергии космических лучей, переживших столкновения с космическим микроволновым фоном , через предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина .
История
Концепция мезонов как частиц-переносчиков ядерной силы была впервые предложена в 1935 году Хидеки Юкавой . Хотя мюон был впервые предложен в качестве этой частицы после его открытия в 1936 году, более поздние исследования показали, что он не участвует в сильном ядерном взаимодействии . Пионы, которые оказались примерами мезонов, предложенных Юкавой, были открыты позже: заряженные пионы в 1947 году и нейтральный пион в 1950 году.
Теоретическая работа Хидеки Юкавы в 1935 году предсказала существование мезонов как частиц-переносчиков сильного ядерного взаимодействия . Из диапазона сильного ядерного взаимодействия (рассчитанного по радиусу атомного ядра ) Юкава предсказал существование частицы с массой около 100 МэВ / c 2 . Первоначально после открытия в 1936 году этой частицей считался мюон (первоначально названный «мю-мезон»), поскольку его масса составляла 106 МэВ / c 2 . Однако более поздние эксперименты показали, что мюон не участвует в сильном ядерном взаимодействии. В современной терминологии это делает мюон лептоном , а не мезоном. Однако некоторые сообщества астрофизиков продолжают называть мюон «мю-мезон».
Мариетта Блау и Герта Вамбахер разработали в 1930-х годах фотоэмульсионную технику для обнаружения частиц высоких энергий . Доктор Бибха Чоудхури открыла мюон с помощью ядерной эмульсии в ходе экспериментов в Дарджилинге со своим наставником Дебендрой Мохан Бозе и опубликовала свои результаты в трех статьях в журнале Nature, посвященных открытию мезонов с использованием ядерной эмульсии в начале 1940-х годов. [3]
В 1947 году первые истинные мезоны, заряженные пионы, были обнаружены коллаборацией Сесила Пауэлла в Бристольском университете в Англии. У статьи об открытии было четыре автора: Сезар Латтес , Джузеппе Оккиалини , Хьюз Мюрхед и Пауэлл. [4] Поскольку появление ускорителей частиц еще не произошло, субатомные частицы высокой энергии можно было получить только из атмосферных космических лучей . Фотографические эмульсии на основе процесса желатин-серебро на длительные периоды времени помещали в места, расположенные в высокогорных горах, сначала на Пик-дю-Миди-де-Бигорр в Пиренеях , а затем в Чакалтайе в Андах , где пластины были поражены. космическими лучами. После проявления фотопластинки были исследованы под микроскопом группой из примерно дюжины женщин. [5] Мариетта Курц была первой, кто обнаружил необычные треки «двойных мезонов», характерные для пиона, распадающегося на мюон , но они находились слишком близко к краю фотоэмульсии и считались неполными. Несколько дней спустя Ирен Робертс наблюдала следы, оставленные распадом пиона, которые появились в статье об открытии. Обе женщины указаны в подписях к рисункам в статье.
В 1948 году , латте , Евгений Гарднер , и их команда первый искусственно пионных Калифорнийского университета «ы циклотроне в Беркли, штат Калифорния , при бомбардировке углерода атомы с высокоскоростными альфа - частиц . Далее передовые теоретические работы была проведена Риасуддин , который в 1959 году использовал дисперсионное соотношение для комптоновского рассеяния на виртуальных фотонов на пионы анализировать их радиус заряда. [6]
Нобелевские премии по физике были присуждены Юкаве в 1949 году за его теоретическое предсказание существования мезонов и Сесилу Пауэллу в 1950 году за разработку и применение метода обнаружения частиц с использованием фотоэмульсий .
Поскольку нейтральный пион электрически не заряжен , его труднее обнаружить и наблюдать, чем заряженные пионы. Нейтральные пионы не оставляют следов в фотоэмульсиях или камерах Вильсона . О существовании нейтрального пиона было сделано наблюдение за продуктами его распада от космических лучей , так называемой «мягкой составляющей» медленных электронов с фотонами. В
π0
был окончательно идентифицирован на циклотроне Калифорнийского университета в 1950 году, наблюдая его распад на два фотона. [7] Позже в том же году их также наблюдали в экспериментах с космическими лучами на воздушном шаре в Бристольском университете.
Возможные применения
Использование пиона в медицинской лучевой терапии, таких как рак, был исследован в ряде научно - исследовательских институтов, в том числе Национальной лаборатории в Лос - Аламосе Мезон физики фонда «s, который обрабатывали 228 пациентов в период с 1974 по 1981 год в Нью - Мексико , [8] и лаборатория TRIUMF в Ванкувере, Британская Колумбия .
Теоретический обзор
В стандартном понимании сильного силового взаимодействия, определяемого квантовой хромодинамикой , пионы в общих чертах изображаются как бозоны Голдстоуна со спонтанно нарушенной киральной симметрией . Это объясняет, почему массы трех видов пионов значительно меньше масс других мезонов, таких как скалярные или векторные мезоны. Если бы их нынешние кварки были безмассовыми частицами, это могло бы сделать киральную симметрию точной и, таким образом, теорема Голдстоуна диктовала бы, что все пионы имеют нулевую массу. Эмпирически, поскольку легкие кварки действительно имеют крошечные ненулевые массы, пионы также имеют ненулевые массы покоя . Однако эти массы почти на порядок меньше, чем у нуклонов, примерно [9] m π ≈√ vm q / f π ≈ √ m q 45 МэВ, где m q - соответствующие массы токового кварка в МэВ, около 5−10 МэВ.
Пион можно рассматривать как одну из частиц, которые обеспечивают остаточное сильное взаимодействие между парой нуклонов . Это взаимодействие привлекательно: оно сближает нуклоны. Написанный в нерелятивистской форме, он называется потенциалом Юкавы . Пион, будучи бесспиновым, имеет кинематику, описываемую уравнением Клейна – Гордона . В терминах квантовой теории поля , то эффективная теория поля лагранжиан , описывающий взаимодействие пион-нуклонный называется взаимодействие Yukawa .
Почти идентичные массы
π±
а также
π0
подразумевают, что должна иметь место симметрия; эта симметрия называется симметрией аромата SU (2) или изоспином . Причина того, что есть три пиона,
π+
,
π-
а также
π0
, состоит в том, что они принадлежат триплетному представлению или присоединенному представлению 3 группы SU (2). Напротив, верхние и нижние кварки преобразуются согласно фундаментальному представлению 2 SU (2), тогда как антикварки преобразуются согласно сопряженному представлению 2 * .
С добавлением странного кварка можно сказать, что пионы участвуют в симметрии аромата SU (3), принадлежащей присоединенному представлению 8 группы SU (3). Остальные члены этого октета - четыре каона и эта-мезон .
Пионы являются псевдоскалярами при преобразовании четности . Таким образом, пионные токи связаны с аксиальным векторным током и, таким образом, участвуют в киральной аномалии .
Основные свойства
Пионы - мезоны с нулевым спином - состоят из кварков первого поколения . В модели кварков , в кварк и анти - вниз кварка составляют
π+
, тогда как нижний кварк и анти-верхний кварк составляют
π-
, а это античастицы друг друга. Нейтральный пион
π0
представляет собой комбинацию восходящего кварка с анти-верхним кварком или нижнего кварка с анти-нижним кварком. Две комбинации имеют одинаковые квантовые числа , и, следовательно, они встречаются только в суперпозициях . Суперпозиция с наименьшей энергией - это
π0
, которая является собственной античастицей. Вместе пионы образуют тройку изоспина . Каждый пион имеет изоспин ( I = 1) и изоспин третьей компоненты, равный его заряду ( I z = +1, 0 или -1).
Заряженный пион распадается
В
π±
мезоны имеют массу из139,6 МэВ / с 2 , и среднее время жизни из2,6033 × 10 −8 с . Они распадаются из-за слабого взаимодействия . Первичная мода распада пиона с вероятностью разветвления 0,999877 - это лептонный распад на мюон и мюонное нейтрино :
π+→ μ+ + νμ
π-→ μ- + νμ
Вторая наиболее распространенная мода распада пиона с вероятностью разветвления 0,000123 также является лептонным распадом на электрон и соответствующее электронное антинейтрино . Этот «электронный режим» был открыт в ЦЕРНе в 1958 г .: [10]
π+→ е+ + νе
π-→ е- + νе
Подавление электронной моды распада по отношению к мюонной примерно (с точностью до нескольких процентов эффекта радиационных поправок) дается соотношением полуширин реакций пион-электронного и пион-мюонного распада:
и представляет собой спиновой эффект, известный как подавление спиральности .
Его механизм следующий: отрицательный пион имеет нулевой спин; поэтому лептон и антинейтрино должны испускаться с противоположными спинами (и противоположными линейными импульсами), чтобы сохранить чистый нулевой спин (и сохранить линейный импульс). Однако, поскольку слабое взаимодействие чувствительно только к левой компоненте киральности полей, антинейтрино всегда имеет левую киральность , что означает, что оно правое, поскольку для безмассовых античастиц спиральность противоположна хиральности. Это означает, что лептон должен излучаться со спином в направлении его импульса (т. Е. Также правым). Однако если бы лептоны были безмассовыми, они бы взаимодействовали с пионом только в левой форме (потому что для безмассовых частиц спиральность такая же, как хиральность), и этот режим распада был бы запрещен. Следовательно, подавление канала распада электрона происходит из-за того, что масса электрона намного меньше массы мюона. Электрон относительно безмассовен по сравнению с мюоном, поэтому электронная мода сильно подавлена по сравнению с мюонной, что практически запрещено. [11]
Хотя это объяснение предполагает, что нарушение четности вызывает подавление спиральности, фундаментальная причина кроется в векторной природе взаимодействия, которое диктует различную направленность нейтрино и заряженного лептона. Таким образом, даже взаимодействие, сохраняющее четность, привело бы к такому же подавлению.
Измерения вышеуказанного отношения на протяжении десятилетий считались тестом на универсальность лептонов . Экспериментально это соотношение равно1,233 (2) × 10 −4 . [1]
Помимо чисто лептонных распадов пионов, наблюдались также некоторые структурно-зависимые радиационные лептонные распады (то есть распад на обычные лептоны плюс гамма-лучи).
Также наблюдается, только для заряженных пионов, очень редкий « бета-распад пиона » (с вероятностью разветвления около 10 -8 ) на нейтральный пион, электрон и электронный антинейтрино (или для положительных пионов, нейтральный пион, позитрон). , и электронное нейтрино).
π-→
π0+ е- + νе
π+→
π0+ е+ + νе
Скорость распада пионов является важной величиной во многих областях физики элементарных частиц, таких как теория киральных возмущений . Эта скорость параметризуется константой распада пиона ( ƒ π ), связанной с перекрытием волновой функции кварка и антикварка, которая составляет примерно130 МэВ . [12]
Распады нейтральных пионов
В
π0
мезон имеет массу 135,0 МэВ / c 2 и среднее время жизни8,5 × 10 −17 с . [1] Он распадается под действием электромагнитной силы , что объясняет, почему его среднее время жизни намного меньше, чем у заряженного пиона (который может распадаться только под действием слабого взаимодействия ).
Доминирующий
π0
моды распада, с бренчингом из BR 2γ = 0.98823, находится в двух фотонов :
π0→ 2 γ.
Распад
π0
→ 3γ(а также распадается на любое нечетное число фотонов) запрещено C-симметрией электромагнитного взаимодействия: внутренняя C-четность
π0
равно +1, а C-четность системы из n фотонов равна (−1) n .
Второй по величине
π0
Режим затухания ( БРЫ ТОТ е = 0,01174 ) является распадом Далитца (названный в честь Ричарда Далитца ), который представляет собой двухфотонный распад с внутренней конверсией фотонов в результате фотона и электрон - позитрон пару в конечном состоянии:
π0→
γ+ е- + е+.
Третья по величине установленная мода распада ( BR 2e2 e =3.34 × 10 −5 ) - это двойной распад Далица, при котором оба фотона претерпевают внутреннее преобразование, что приводит к дальнейшему подавлению скорости:
π0→
е-+
е++
е-+
е+
.
Четвертая по величине установленная мода распада - это индуцированная петлей и, следовательно, подавленная (и дополнительно подавленная спиральностью ) мода лептонного распада ( BR e e =6,46 × 10 −8 ):
π0→
е-+
е+
.
Также было обнаружено, что нейтральный пион распадается на позитроний с фракцией ветвления порядка 10 −9 . Других режимов распада экспериментально не установлено. Приведенные выше доли ветвления являются центральными значениями PDG , и их неопределенности опущены, но доступны в цитируемой публикации. [1]
Имя частицы | Символ частицы | Символ античастицы | Содержание кварка [13] | Масса покоя ( МэВ / c 2 ) | I G | J P C | S | C | B ' | Среднее время жизни ( лет ) | Обычно распадается до (> 5% распадов) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Пион [1] | π+ | π- | тыd | 139,570 39 ± 0,000 18 | 1 - | 0 - | 0 | 0 | 0 | 2,6033 ± 0,0005 × 10 −8 | μ+ + νμ |
Пион [1] | π0 | Себя | [а] | 134,976 8 ± 0,000 5 | 1 - | 0 - + | 0 | 0 | 0 | 8,5 ± 0,2 × 10 −17 | γ + γ |
[a] ^ Состав неточен из-за ненулевых масс кварков. [14]
Смотрите также
- Пионий
- Кварковая модель
- Статические силы и обмен виртуальными частицами
- Параметризация Сэнфорда-Ванга
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h Зила, Пенсильвания; и другие. (Группа данных по частицам) (2020). «Обзор физики элементарных частиц» . Прог. Тео. Exp. Phys . 2020 год : 083C01. DOI : 10,1093 / ptep / ptaa104 .
- ^ Ackermann, M .; и другие. (2013). «Обнаружение характерной сигнатуры распада пиона в остатках сверхновой». Наука . 339 (6424): 807–811. arXiv : 1302,3307 . Bibcode : 2013Sci ... 339..807A . DOI : 10.1126 / science.1231160 . PMID 23413352 . S2CID 29815601 .
- ^ Wire, India Science (18 декабря 2019 г.). «Звезда и ее планета получили индийские имена после глобального конкурса» . Индус . ISSN 0971-751X . Проверено 22 декабря 2019 .
- ^ К. Латтес, Дж. Оккиалини, Х. Мюрхед и К. Пауэлл (1947). «Процессы с участием заряженных мезонов». Природа . 159 : 694–698. DOI : 10.1007 / s00016-014-0128-6 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ CL Vieria, AA P Videira (2014). «Сезар Латтес, ядерные эмульсии и открытие пи-мезона». Физика в перспективе . 16 : 2–36. DOI : 10.1038 / 159694a0 .
- ^ Рязуддин (1959). «Радиус заряда пиона». Физический обзор . 114 (4): 1184–1186. Bibcode : 1959PhRv..114.1184R . DOI : 10.1103 / PhysRev.114.1184 .
- ^ Bjorklund, R .; Крэндалл, МЫ; Мойер, Б.Дж.; Йорк, HF (1950). «Фотоны высоких энергий от протон-нуклонных столкновений» (PDF) . Физический обзор . 77 (2): 213–218. Полномочный код : 1950PhRv ... 77..213B . DOI : 10.1103 / PhysRev.77.213 . hdl : 2027 / mdp.39015086480236 .
- ^ фон Эссен, CF; Багшоу, Массачусетс; Буш, ЮВ; Смит, АР; Клигерман, М.М. (1987). «Отдаленные результаты пионотерапии в Лос-Аламосе». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . 13 (9): 1389–1398. DOI : 10.1016 / 0360-3016 (87) 90235-5 . PMID 3114189 .
- ^ Гелл-Манн, М .; Реннер, Б. (1968). «Поведение текущих расхождений при SU 3 × SU 3 » (PDF) . Физический обзор . 175 (5): 2195–2199. Bibcode : 1968PhRv..175.2195G . DOI : 10.1103 / PhysRev.175.2195 .
- ^ Fazzini, T .; Fidecaro, G .; Merrison, A .; Paul, H .; Толлеструп А. (1958). «Электронный распад пиона» . Письма с физическим обзором . 1 (7): 247–249. Полномочный код : 1958PhRvL ... 1..247F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.1.247 .
- ^ Мезоны в гиперфизике
- ^ Лептонные распады заряженных псевдоскалярных мезонов JL Rosner и S. Stone. Группа данных по частицам. 18 декабря 2013 г.
- ^ Amsler, C .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2008). «Модель кварка» (PDF) . Лаборатория Лоуренса Беркли .
- ^ Гриффитс, DJ (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . ISBN 0-471-60386-4.
дальнейшее чтение
- Джеральд Эдвард Браун и А.Д. Джексон, Нуклон-нуклонное взаимодействие (1976), North-Holland Publishing, Амстердам ISBN 0-7204-0335-9
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с пионами, на Викискладе?
- Мезоны в группе данных частиц