Пион

Пион
Кварковая структура пиона.
Сочинение	π⁺ : ты d π⁰ : ты ты или же d d π^- : d ты
Статистика	Бозонный
Взаимодействия	Сильный , Слабый , Электромагнитный и Гравитационный
Символ	π⁺ , π⁰ , и π^-
Античастица	π⁺ : π^- π⁰ : себя
Теоретически	Хидэки Юкава (1935)
Обнаруженный	Сезар Латтес , Джузеппе Оккиалини (1947), Сесил Пауэлл ,
Типы	3
Масса	π^± : 139,570 18 (35) МэВ / c ² π⁰ : 134.9766 (6) МэВ / c ²
Средняя продолжительность жизни	π^± : 2,6 × 10 ⁻⁸ с , π⁰ : 8,4 × 10 ⁻¹⁷ с
Электрический заряд	π⁺ : +1 e π⁰ : 0 e π^- : −1 e
Цвет заряда	0
Вращение	0
Паритет	−1

В физике элементарных частиц , пион (или пи - мезон , обозначается с греческой буквой пи :
π
) представляет собой любую из трех субатомных частиц :
π⁰
,
π⁺
, и
π^-
. Каждый пион состоит из кварка и антикварка и, следовательно, является мезоном . Пионы - это легчайшие мезоны и, в более общем смысле, самые легкие адроны . Они нестабильны, с заряженными пионами
π⁺
и
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 84 аттосекунды (8,4 × 10 ⁻¹⁷ секунд). Заряженные пионы чаще всего распадаются на мюоны и мюонные нейтрино, тогда как нейтральные пионы обычно распадаются на гамма-лучи .

Обмен виртуальными пионами, наряду с 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 г. обнаружение характеристических гамма-квантов, возникающих при распаде нейтральных пионов в двухОстатки сверхновых показали, что пионы в большом количестве образуются после сверхновых, скорее всего, в связи с образованием протонов высокой энергии, которые обнаруживаются на Земле как космические лучи. ^[1]

Концепция мезонов как частиц-переносчиков ядерной силы была впервые предложена в 1935 году Хидеки Юкавой . Хотя мюон впервые был 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.

История [ править ]

Анимация взаимодействия ядерной силы (или остаточной сильной силы). Маленькие цветные двойные диски - это глюоны. Антиколоры показаны согласно этой схеме ( увеличенная версия ).

Тот же процесс, что и в анимации с отдельными кварковыми составляющими, показанными, чтобы проиллюстрировать, как фундаментальное сильное взаимодействие порождает ядерное взаимодействие . Прямые линии - это кварки, а разноцветные петли - глюоны (носители фундаментальной силы). Другие глюоны, которые связывают протон, нейтрон и пион «в полете», не показаны.

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. По современной терминологии это делает мюон лептоном., а не мезон. Однако некоторые сообщества астрофизиков продолжают называть мюон «мю-мезоном».

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. ^[2]

В 1947 году первые настоящие мезоны, заряженные пионы, были найдены в сотрудничестве с Сесил Пауэлл , Сезар Латте , Оккиалини , и др. в Бристольском университете в Англии. 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 размещались в местах, расположенных в высокогорных горах, сначала на Пик-дю-Миди-де-Бигорр в Пиренеях , а затем в Чакалтайе.в Андах , где на плиты ударили космические лучи.

После развития фотографических пластин , микроскопическое обследование эмульсий показали следы заряженных субатомных частиц. Впервые пионы были идентифицированы по их необычным «двойным мезонным» трекам, оставшимся после их распада в предполагаемый мезон. Частица была идентифицирована как мюон, который обычно не классифицируется как мезон в современной физике элементарных частиц. В 1948 году , латте , Евгений Гарднер , и их команда первый искусственно пионных Калифорнийского университета «s циклотрона в Беркли, штат Калифорния , при бомбардировке углерода атомы с высокоскоростными альфа - частиц. Далее передовые теоретические работы была проведена Риасуддин , который в 1959 году, использовали дисперсионное соотношение для комптоновского рассеяния на виртуальных фотонов на пионы анализировать их радиус заряда. ^[3]

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 можно было судить по результатам наблюдения продуктов 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. ^[4] Позже в том же году их также наблюдали в экспериментах на воздушном шаре с космическими лучами в Бристольском университете.

Пион также играет решающую роль в космологии, устанавливая верхний предел энергии космических лучей, переживших столкновения с космическим микроволновым фоном , через предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина .

В стандартном понимании сильного силового взаимодействия, как это определяется 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 на самом деле имеют крошечные ненулевые массы, пионы также имеют ненулевые массы покоя . Однако эти весапочти на порядок меньше, чем у нуклонов, примерно ^[5] $m$ _π ≈√ $vm q$ / $f$ _π ≈ √ $m q$ 45 МэВ, где $m q$ - соответствующие массы токового кварка в МэВ, около 5−10 МэВ.

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 , ^[6] и лаборатория TRIUMF в Ванкувере, Британская Колумбия .

Теоретический обзор [ править ]

Пион можно рассматривать как одну из частиц, которые обеспечивают 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 одинаковые массы
π^±
и
π⁰
подразумевают, что в игре должна быть симметрия; эта симметрия называется симметрией аромата SU (2) или изоспином . Причина того, что есть три пиона,
π⁺
,
π^-
и
π⁰
, состоит в том, что они принадлежат триплетному представлению или присоединенному представлению 3 группы SU (2). Напротив, верхние и нижние кварки преобразуются в соответствии с фундаментальным представлением 2 SU (2), тогда как антикварки преобразуются в соответствии с сопряженным представлением 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 соединяются с аксиальным векторным током, и пионы участвуют в киральной аномалии .

Основные свойства [ править ]

Пионы - мезоны с нулевым спином - состоят из кварков первого поколения . В модели кварков , в кварк и анти - вниз кварка составляют
π⁺
, а 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 поэтому 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 [ править ]

Диаграмма Фейнмана распада доминирующего лептонного пиона.

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 представляет собой 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 представляет собой лептонный распад на электрон и соответствующий электронный антинейтрино . Этот «электронный режим» был открыт в ЦЕРНе в 1958 г .: ^[7]

π⁺	→	е+	+	νе
π^-	→	е-	+	νе

Подавление электронной моды распада по отношению к мюонной примерно дается (с точностью до нескольких процентов эффекта радиационных поправок) соотношением полуширин реакций пион-электронного и пион-мюонного распада:

{\ displaystyle R _ {\ pi} = \ left ({\ frac {m_ {e}} {m _ {\ mu}}} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {m _ {\ pi} ^ { 2} -m_ {e} ^ {2}} {m _ {\ pi} ^ {2} -m _ {\ mu} ^ {2}}} \ right) ^ {2} = 1,283 \ times 10 ^ {- 4 }}

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 оставалось киральным., что означает, что он правосторонний, поскольку для безмассовых античастиц спиральность противоположна хиральности. Это означает, что лептон должен испускаться 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 и 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. ^[8]

Хотя это объяснение предполагает, что нарушение четности вызывает подавление спиральности, основная причина кроется в векторной природе взаимодействия, которое диктует разную направленность нейтрино и заряженного лептона. Таким образом, даже взаимодействие, сохраняющее четность, даст такое же подавление.

Измерения этого отношения на протяжении десятилетий считались тестом на универсальность лептонов . Экспериментально это соотношение равно1,230 (4) × 10 ⁻⁴ . ^[9]

Помимо чисто лептонных распадов пионов, также наблюдались 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 . ^[10]

Распад нейтрального пиона [ править ]

В
π⁰
мезон имеет массу 135,0 МэВ / c ² и среднее время жизни8,4 × 10 ⁻¹⁷ с . ^[11] 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 ).

Распад нейтрального пиона, вызванный аномалиями .

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 распад двойного 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 наблюдалось, 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. ^[11]

Пионы
Имя частицы	Символ частицы	Символ античастицы	Содержание кварка ^[12]	Масса покоя ( МэВ / c ² )	I ^G	J ^{P C}	S	C	B '	Средний срок службы ( а )	Обычно распадается до (> 5% распадов)
Пион ^[9]	π⁺	π^-	тыd	139,570 18 ± 0,000 35	1 ^-	0 ^-	0	0	0	2,6033 ± 0,0005 × 10 ⁻⁸	μ+ + νμ
Пион ^[11]	π⁰	Себя	${\ displaystyle {\ tfrac {\ mathrm {и {\ bar {u}}} - \ mathrm {d {\ bar {d}}}} {\ sqrt {2}}}}$ ^{^[а]}	134,976 6 ± 0,000 6	1 ^-	0 ^{- +}	0	0	0	8,4 ± 0,6 × 10 ⁻¹⁷	γ + γ

^[a] ^ Состав неточный из-за ненулевых масс кварков. ^[13]

См. Также [ править ]

Пионий
Кварковая модель
Статические силы и обмен виртуальными частицами
Параметризация Сэнфорда-Ванга

Ссылки [ править ]

^ 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 .
^ Риасуддин (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, Би Джей; Йорк, HF (1950). "Фотоны высоких энергий от протон-нуклонных столкновений" (PDF) . Физический обзор . 77 (2): 213–218. Bibcode : 1950PhRv ... 77..213B . DOI : 10.1103 / PhysRev.77.213 . hdl : 2027 / mdp.39015086480236 .
^ 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 .
^ фон Эссен, CF; Багшоу, Массачусетс; Буш, ЮВ; Смит, АР; Клигерман, М.М. (1987). «Отдаленные результаты пионотерапии в Лос-Аламосе». Международный журнал радиационной онкологии * Биология * Физика . 13 (9): 1389–1398. DOI : 10.1016 / 0360-3016 (87) 90235-5 . PMID 3114189 .
^ 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
^ a b C. Amsler et al. . (2008): Списки частиц -π±
^ Лептонные распады заряженных псевдоскалярных мезонов JL Rosner и S. Stone. Группа данных по частицам. 18 декабря 2013 г.
^ a b c Амслер, К .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2008). "Списки частиц -π0" (PDF) . Лаборатория Лоуренса Беркли .
^ Амслер, C .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2008). «Модель кварка» (PDF) . Лаборатория Лоуренса Беркли .
Перейти ↑ Griffiths, DJ (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . ISBN 0-471-60386-4.

Дальнейшее чтение [ править ]

Джеральд Эдвард Браун и А.Д. Джексон, Нуклон-нуклонное взаимодействие (1976), North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные с пионами, на Викискладе?
Мезоны в группе данных частиц

[ackermann-2013-1] 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 .

[2] 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 .

[3] Риасуддин (1959). «Радиус заряда пиона». Физический обзор . 114 (4): 1184–1186. Bibcode : 1959PhRv..114.1184R . DOI : 10.1103 / PhysRev.114.1184 .

[4] Bjorklund, R .; Крэндалл, МЫ; Мойер, Би Джей; Йорк, HF (1950). "Фотоны высоких энергий от протон-нуклонных столкновений" (PDF) . Физический обзор . 77 (2): 213–218. Bibcode : 1950PhRv ... 77..213B . DOI : 10.1103 / PhysRev.77.213 . hdl : 2027 / mdp.39015086480236 .

[5] 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 .

[6] фон Эссен, CF; Багшоу, Массачусетс; Буш, ЮВ; Смит, АР; Клигерман, М.М. (1987). «Отдаленные результаты пионотерапии в Лос-Аламосе». Международный журнал радиационной онкологии * Биология * Физика . 13 (9): 1389–1398. DOI : 10.1016 / 0360-3016 (87) 90235-5 . PMID 3114189 .

[7] 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 .

[8] Мезоны в гиперфизике

[PDGPion-9] C. Amsler et al. . (2008): Списки частиц -π±

[10] Лептонные распады заряженных псевдоскалярных мезонов JL Rosner и S. Stone. Группа данных по частицам. 18 декабря 2013 г.

[PDGPion0-11] Амслер, К .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2008). "Списки частиц -π0" (PDF) . Лаборатория Лоуренса Беркли .

[PDGQuarkmodel-12] Амслер, C .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2008). «Модель кварка» (PDF) . Лаборатория Лоуренса Беркли .

[13] Перейти ↑ Griffiths, DJ (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . ISBN 0-471-60386-4.