Pion (partikel)

Pion ( ) $\pi ^{\pm }\quad (\pi ^{0})$

En familj	boson
Grupp	hadron , meson , pseudo- Goldstone boson , pseudoskalär boson
Deltar i interaktioner	Stark , elektromagnetisk , svag och gravitationell
Antipartikel	$\pi ^{\mp }\quad (\pi ^{0})$
Antal typer	3
Vikt	laddad: 139,57061(24) MeV neutral: 134,9770(5) MeV
Livstid	laddad: 2,6033(5)⋅10 −8 s neutral: 8,20(0,24)⋅10 −17 s
Teoretiskt motiverat	Hideki Yukawa , 1935
Upptäckt	År 1947
Vem eller vad är uppkallad efter	grekisk πῖ - bokstaven pi och μέσον - mitten
kvanttal
Elektrisk laddning	±1 (0)
baryonnummer	0
Snurra	0 ħ
Paritet	−1
Isotopisk spinn	±1 (0)
Tredje komponenten av svagt isospin	+1
Konstighet	0
Charmen	0
Hyperladdning	0
Svag hyperladdning	0, -2; -1
Övriga fastigheter
Quark komposition	laddad: neutral: $u{\bar {d)),d{\bar {u}}$ $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$
Förfallsschema	μ + + ν μ (2 γ )
Mediafiler på Wikimedia Commons

Pion , pi-meson ( grekiska πῖ - bokstaven pi och μέσον - mitten ) - tre typer av subatomära partiklar från gruppen mesoner . Betecknas π 0 , π + och π − . De har den minsta massan bland mesonerna. Öppnade 1947 . De är bärare av kärnkrafter mellan nukleoner i kärnan. Laddade pioner sönderfaller vanligtvis till en myon och en muon (anti) neutrino , neutrala pioner till två gammakvanter .

Egenskaper

Pioner av alla slag:

består av ett par kvark - antikvark av den första generationen;
har negativ paritet och noll spin (därför är dessa partiklar pseudoskalära );
är pseudo- Goldstone-bosoner ( Nambu - Goldstone- bosoner med spontant bruten symmetri ), så de är mycket lättare än andra mesoner (till exempel är η-mesonens massa 547,75 MeV / c² ) .

Typer av π -mesoner, enligt kvarkmodellen:

Debiterad :
- u -kvarken och anti - d -kvarken bildarπ + mesonen;
- π − mesonen, antipartikeln av π + mesonen , består av d -kvarken och anti - u -kvarken .
Elektriskt neutrala kombinationer ( u + anti - u ) och ( d + anti - d ) kan bara existera som deras superposition , eftersom de bär samma uppsättning kvanttal . Det lägsta energitillståndet för en sådan superposition är π 0 -mesonen, som är dess egen antipartikel (en verkligt neutral partikel , som en foton ). En neutral pion, bestående av en kvark och dess motsvarande antikvark (mer exakt, från en överlagring av sådana tillstånd), är en av typerna av onium $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$ (bundna tillstånd för en partikel och en antipartikel). Det skulle kunna kallas quarkonia , men vanligtvis syftar denna term på system av tunga kvarkar.

Alla pioner består av första generationens kvarkar och antikvarkar, så de har noll smaker , både explicita och latenta: konstighet S , charm C , charm B ′ och sanning T.

Laddningsradien för laddade pioner är 0,659(4) fm [1] .

Relaterade pionsystem

En negativt laddad pion kan fångas upp av en atomkärna i en bana som liknar en elektron, och med den bilda en kortlivad exotisk atom - den så kallade pionatomen .

Två olika laddade pioner kan bilda ett bundet system - pionium , en exotisk atom bunden huvudsakligen av Coulomb-attraktion. Livslängden för ett sådant system (ca 3⋅10 −15 s) är mycket kortare än livslängden för en enstaka laddad pion, eftersom partikeln och antipartikeln som kommer in i det snabbt förintar varandra, vanligtvis bildar två neutrala pioner, som var och en sedan sönderfaller till två fotoner [2] .

Pi meson förfall

Nedfallet hos en neutral pion beror på elektromagnetisk växelverkan, medan laddade pioner sönderfaller genom en svag växelverkan, vars kopplingskonstant är mycket mindre. Därför skiljer sig halveringstiden för neutrala och laddade pioner avsevärt.

Debiterad

Mesoner har en massa på 139,57061(24) MeV/ c ² och en relativt lång livslängd , enligt kärntekniska standarder : 2,6033(5)⋅10 −8 sekunder [3] . Den dominerande kanalen (med en sannolikhet på 99,98770(4)%) är sönderfallskanalen till en myon och en muon neutrino eller antineutrino : $\pi ^{+},\pi ^{-}$

\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu },

\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu}}_{\mu }.

Den näst mest sannolika kanalen för sönderfallet av laddade pioner är den strålningsvarianten (det vill säga åtföljd av en gamma-kvant) variant av ovanstående sönderfall ( och ), som endast inträffar i 0,0200(25) % av fallen [3] . Därefter kommer det starkt undertryckta (0,01230(4)%) sönderfallet till en positron och en elektronneutrino ( ) för en positiv pion och till en elektron och en elektron antineutrino ( ) för en negativ pion [3] . Anledningen till undertryckandet av "elektroniska" sönderfall jämfört med "myon"-sönderfall är bevarandet av helicitet för ultrarelativistiska partiklar som uppstår i "elektroniska" sönderfall: den kinetiska energin för både en elektron och en neutrino i detta sönderfall är mycket större än deras massor, därför bevaras deras helicitet (med god noggrannhet) och sönderfallet undertrycks, med avseende på myonläget, av en faktor: $\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }+\gamma$ $\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu}}_{\mu}+\gamma$ $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi}-M_{e)){M_{\pi }-M_{\ mu }}}\right)^{2}.

Mätningar av denna faktor gör det möjligt att kontrollera förekomsten av eventuella små högerhänta föroreningar i vänsterhänta ( V − A ) laddade strömmar i den svaga interaktionen.

Liksom i fallet med myonnedbrytningar, är strålningselektronnedbrytningar ( och ) kraftigt undertryckta i jämförelse med icke-strålande, deras sannolikhet är endast 7,39(5)⋅10 −5 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu}}_{e}+\gamma$

Ännu starkare undertryckt i sannolikhet (1,036(6)⋅10 −6 %) är sönderfallet av en positiv pion till en neutral pion, en positron och en elektronneutrino ( ) och en negativ pion till en neutral pion, en elektron och en elektron antineutrino ( ) [3] . Undertryckandet av detta sönderfall förklaras av lagen om bevarande av vektorströmmen i den svaga interaktionen [4] . ${\displaystyle \pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e))$ ${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$

Slutligen har en annan typ av laddat pionförfall upptäckts. I det här fallet är produkterna av sönderfallet av en positiv pion en positron, en elektronneutrino och ett elektron-positron-par ( ), medan produkterna från en negativ pion är en elektron, en elektron-antineutrino och ett elektron-positron-par ( ). Sannolikheten för ett sådant sönderfall är 3,2(5)⋅10 −7 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu}}_{e}+e^{+}+e^{-}$

Neutral

Den neutrala pionen har en något lägre massa (134,9770(5) MeV/c² ) och en mycket kortare livslängd än laddade pioner: 8,52(18)⋅10 −17 sekunder [ 3] . Den huvudsakliga (sannolikhet 98.823(34) %) är sönderfallskanalen till två fotoner [3] : $\pi^0$

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

Var och en av dessa fotoner bär bort en energi på 67,49 MeV (om den sönderfallna pionen var i vila).

Den andra i sannolikhet (1,174(35)%) är sönderfallskanalen till en foton och ett elektron-positronpar [3] :

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

(inklusive ett sällsynt fall när ett elektron-positron-par föds i ett bundet tillstånd - i form av positronium ; sannolikheten för ett sådant utfall är 1,82(29)⋅10 −7 % [3] ).

De neutrala pionavklingningskanalerna härnäst när det gäller sannolikhet är strålningsfria avklingningar i två (sannolikhet 3,34(16)⋅10−3 ) %) och ett (6,46(33)⋅10−6 ) %) elektron-positronpar [3] :

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

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

Nedbrytningskanaler till fyra fotoner (experimentellt begränsade till mindre än 2⋅10 −6 ) %) och till ett neutrino-antineutrinopar (mindre än 2,7 ⋅10 −5 ) %) har förutspåtts men ännu inte upptäckts [3] .

Upptäcktshistorik

I Hideki Yukawas teoretiska arbete 1935 förutspåddes det att det finns partiklar som bär den starka kraften mesons (Yukawa föreslog ursprungligen namnet mesotron , men korrigerades av Werner Heisenberg , vars far undervisade i grekiska ).

Laddade pi mesons

1947 upptäcktes laddade pioner experimentellt av ett team av forskare under ledning av Cecil Frank Powell . Eftersom det inte fanns några acceleratorer som var kraftfulla nog att producera pioner vid den tiden, genomfördes en sökning med fotografiska plattor som lyfts upp av en ballong in i stratosfären , där de exponerades för kosmisk strålning (fotografiska plattor installerades också i bergen, till exempel, i ett astrofysiskt laboratorium på en vulkan " Chacaltaya " i Anderna ). Efter ballongens nedstigning hittades spår av laddade partiklar på den fotografiska emulsionen , bland vilka var mesoner. För sina prestationer tilldelades Yukawa ( 1949 ) och Powell ( 1950 ) Nobelpriset i fysik .

Elektriskt neutrala pi mesons

Det är mycket svårare att upptäcka en neutral meson (eftersom den, på grund av sin elektriska neutralitet, inte lämnar spår i fotografiska emulsioner och andra spårdetektorer). Den identifierades av sina förfallsprodukter 1950 . Livslängden för neutrala mesoner bestämdes experimentellt 1963 [5] . $\pi^0$

Starka kraftbärare

Det är nu känt (enligt kvantkromodynamik ) att den starka kraften förmedlas av gluoner . Ändå är det möjligt att formulera den så kallade effektiva teorin om interaktionen av intranukleära partiklar ( sigmamodellen ), där pioner är bärare av de nukleära krafterna för interaktion. Trots det faktum att denna teori (föreslagen av Yukawa) endast är korrekt i ett visst spektrum av energier, tillåter den förenklade beräkningar i den och ger visuella förklaringar [6] . Interaktionskrafterna som bärs av pioner (som kärnkrafterna som binder nukleoner i en atomkärna ) kan kompakt beskrivas med hjälp av Yukawa-potentialen .

Anteckningar

↑ Tanabashi M. et al. (Partikeldatagrupp). π ± (engelska) // Phys. Varv. D. - 2018. - Vol. 98 . — S. 030001 .
↑ Adeva B. et al. Bestämning av ππ spridningslängder från mätning av π + π − π + π − atomlivslängd // Fysik Bokstäver B . - 2011. - Vol. 704 , utg. 1-2 . - S. 24-29 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.08.074 . - . - arXiv : 1109.0569 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tanabashi M. et al. (Partikeldatagrupp). Lätt smaklösa mesoner ( S = C = B = 0) (engelska) // Phys. Varv. D. - 2018. - Vol. 98 . — S. 030001 .
↑ Yu . _ _ Ryska vetenskapsakademin, Institutet för högenergifysik; ed. L. G. Landsberg. - M . : Nauka, 2006. - S. 51-58. — (Nationella vetenskapens monument. XX-talet). — ISBN 5-02-035321-3 .
↑ Perkins D. Introduktion till högenergifysik. - M .: Mir , 1975. - S. 85-88.
↑ Wentzel G. Introduktion till kvantteorin för vågfält. - M . : OGIZ Tekhteorizdat, 1947. - S. 92-136.

Litteratur

Bethe G. , Hoffman F. Mesoner och fält. Volym II. Mesons. - M., IL , 1957. - 514 sid.
Kirillov-Ugryumov V. G. , Nikitin Yu. P., Sergeev F. M. Atomer och mesoner. - M., Atomizdat , 1980. - 216 sid.

Länkar

Experimentella egenskaper för laddade arkiverade 29 mars 2020 på Wayback Machine och neutrala arkiverade 29 mars 2020 på Pion Wayback Machine ( Partikeldatagruppens webbplats ) .
Fysiker mäter exakt Neutral Pion Lifetime Arkiverad 29 maj 2021 på Wayback Machine

Partiklar i fysiken

grundläggande
partiklar

Fermioner

Quarks	u d s c b t
leptoner	e- _ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

Bosoner

Mätare	γ g W ± •Z 0
Skalär	Higgs boson

Kompositpartiklar
_

hadroner

Baryoner ( Hyperoner )	Nukleoner sid sid n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks
Mesons ( Quarkonia )	π η • η′ sid ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetraquarks

Föreningar av fundamentala och (eller) sammansatta partiklar

Vanlig	Atomkärnor deuteron Triton Helion α atomer joner Katjoner anjoner molekyler
Ovanlig	I hypernucleus fysik : Λ -hypernuclei Hyperväte Hypertriton Σ -hypernuclei Exotiska atomer : Mesoatomer Muonic Muoniskt väte Hadronic pion Kaonic Antiproton Σ -hyperonisk Leptonatomer positronium Muonium Dimuonium protonium Pion mesomolecule Dipositronium