Пион (частица)

Пио́н, пи-мезо́н (греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются π⁰ (встречается собственное название — нейтретто), 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.

Пионы всех видов:

• состоят из пары кварк-антикварк первого поколения;
• имеют отрицательную чётность и нулевой спин (поэтому эти частицы являются псевдоскалярными);
• являются псевдо-голдстоуновскими бозонами (бозонами Намбу—Голдстоуна со спонтанно нарушенной симметрией), поэтому они гораздо легче других мезонов (например, масса η-мезона равна 547,75 МэВ/c²).

Виды π-мезонов, согласно кварковой модели:

• Заряженные:
  • u-кварк и анти-d-кварк формируют π⁺-мезон;
  • 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 ${\displaystyle (u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}}$, 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 (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.

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.

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.

Мезоны ${\displaystyle \pi ^{+},\pi ^{-}}$ имеют массу 139,57061(24) MэВ/c² и относительно большое, по ядерным меркам, время жизни: 2,6033(5)⋅10⁻⁸ секунды. 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. 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. 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)⋅10⁻⁵ %.

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6)⋅10⁻⁶ %) 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 (${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}}$). 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 (${\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}}$), 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)⋅10⁻⁷ %.

Нейтральный пи-мезон ${\displaystyle \pi ^{0}}$ имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/c²) и гораздо меньшее время жизни, чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18)⋅10⁻¹⁷ секунды. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два фотона:

${\displaystyle \pi ^{0}\to 2\gamma .}$

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:

${\displaystyle \pi ^{0}\to \gamma +e^{+}+e^{-}}$

(включая редкий вариант, когда электрон-позитронная пара рождается в связанном состоянии — в виде позитрония; вероятность такого исхода составляет 1,82(29)⋅10⁻⁷ %).

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:

${\displaystyle \pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}+e^{-},}$

${\displaystyle \pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}.}$

Предсказаны, но пока не обнаружены каналы распада в четыре фотона (экспериментально вероятность ограничена величиной менее 2⋅10⁻⁶) %) и в нейтрино-антинейтринную пару (менее 2,7⋅10⁻⁵) %).

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).

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.

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.

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.

• 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.

• 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