Пион

В физике элементарных частиц пион ( / ˈ p aɪ . ɒ n / , PIE -on ) или пи-мезон , обозначается 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 являются самыми легкими мезонами и, в более общем смысле, самыми легкими адронами . Они нестабильны, причем заряженные пионы
π⁺
и
π⁻
распадаясь после среднего времени жизни 26,033 наносекунд (2,6033 × 10 ⁻⁸ секунд) и нейтральный пион
π⁰
распадаясь после гораздо более короткого времени жизни 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 .

Обмен виртуальными пионами, наряду с векторными , ро- и омега-мезонами , дает объяснение остаточной сильной силы между нуклонами . Пионы не производятся при радиоактивном распаде , но обычно возникают при столкновениях адронов с высокой энергией . Пионы также возникают в результате некоторых событий аннигиляции материи и антиматерии . Все типы пионов также производятся в естественных процессах, когда высокоэнергетические протоны космических лучей и другие адронные компоненты космических лучей взаимодействуют с материей в атмосфере Земли. В 2013 году обнаружение характерных гамма-лучей, возникающих при распаде нейтральных пионов в двух остатках сверхновых, показало, что пионы обильно производятся после сверхновых, скорее всего, в сочетании с производством высокоэнергетических протонов, которые обнаруживаются на Земле как космические лучи. ^[2]

Пион также играет важную роль в космологии, устанавливая верхний предел энергии космических лучей, переживающих столкновения с космическим микроволновым фоном , посредством предела Грейзена–Зацепина–Кузьмина . ^{[ необходима ссылка ]}

История

Анимация взаимодействия ядерной силы (или остаточной сильной силы). Маленькие цветные двойные диски — это глюоны. Для выбора антицветов см. Цветовой заряд § Красный, зеленый и синий .

Теоретическая работа Хидеки Юкавы в 1935 году предсказала существование мезонов как частиц-носителей сильного ядерного взаимодействия . Исходя из диапазона сильного ядерного взаимодействия (выведенного из радиуса атомного ядра ), Юкава предсказал существование частицы, имеющей массу около100 МэВ/ c2 . Первоначально, после его открытия в 1936 году, ^мюон ( первоначально называемый «мю-мезоном») считался этой частицей, поскольку он имеет массу106 МэВ/ c2 . 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-мезоном». ^{[ по мнению кого? ]} Пионы, которые оказались примерами предложенных Юкавой мезонов, были открыты позже: заряженные пионы в 1947 году и нейтральный пион в 1950 году.

В 1947 году первые настоящие мезоны, заряженные пионы, были обнаружены в ходе совместной работы под руководством Сесила Пауэлла в Университете Бристоля в Англии. Авторами статьи об открытии были четыре автора: Сезар Латтес , Джузеппе Оккиалини , Хью Мьюирхед и Пауэлл. ^[3] Поскольку ускорители частиц еще не появились, высокоэнергетические субатомные частицы можно было получить только из атмосферных космических лучей . Фотографические эмульсии , основанные на желатино-серебряном процессе, на длительные периоды времени помещались в места, расположенные в высокогорных горах, сначала на Пик-дю-Миди-де-Бигор в Пиренеях , а затем в Чакалтайя в Андах , где пластины подвергались воздействию космических лучей. После проявки фотографические пластины изучались под микроскопом группой из примерно дюжины женщин. ^[4] Мариетта Курц была первым человеком, обнаружившим необычные треки "двойного мезона", характерные для распада пиона на мюон , но они были слишком близки к краю фотографической эмульсии и считались неполными. Несколько дней спустя Ирен Робертс наблюдала треки, оставленные распадом пиона, которые появились в статье об открытии. Обе женщины указаны в подписях к рисункам в статье.

В 1948 году Латтес , Юджин Гарднер и их команда впервые искусственно создали пионы на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли, Калифорния , бомбардируя атомы углерода высокоскоростными альфа-частицами . Дальнейшая продвинутая теоретическая работа была проведена Риазуддином , который в 1959 году использовал дисперсионное соотношение для комптоновского рассеяния виртуальных фотонов на пионах, чтобы проанализировать их зарядовый радиус. ^[5]

Поскольку нейтральный пион не имеет электрического заряда , его труднее обнаружить и наблюдать, чем заряженные пионы. Нейтральные пионы не оставляют следов в фотографических эмульсиях или камерах Вильсона . Существование нейтрального пиона было выведено из наблюдения продуктов его распада из космических лучей , так называемого «мягкого компонента» медленных электронов с фотонами.
π⁰
был окончательно идентифицирован в циклотроне Калифорнийского университета в 1949 году путем наблюдения за его распадом на два фотона. ^[6] Позднее в том же году их также наблюдали в экспериментах с космическими лучами на воздушных шарах в Бристольском университете.

... Юкава выбрал букву π из-за ее сходства с иероглифом кандзи介 [ kai ], что означает «посредничать». Из-за концепции, что мезон работает как частица-посредник сильного взаимодействия между адронами. ^[7]

Возможные применения

Использование пионов в медицинской лучевой терапии, например, при лечении рака, изучалось в ряде научно-исследовательских институтов, включая Центр мезонной физики Лос-Аламосской национальной лаборатории , где в период с 1974 по 1981 год прошли лечение 228 пациентов в Нью-Мексико ^[8] , а также в лаборатории TRIUMF в Ванкувере, Британская Колумбия .

Теоретический обзор

В стандартном понимании сильного взаимодействия , как определено квантовой хромодинамикой , пионы вольно изображаются как голдстоуновские бозоны спонтанно нарушенной киральной симметрии . Это объясняет, почему массы трех видов пионов значительно меньше, чем у других мезонов, таких как скалярные или векторные мезоны. Если бы их текущие кварки были безмассовыми частицами, это могло бы сделать киральную симметрию точной, и, таким образом, теорема Голдстоуна диктовала бы, что все пионы имеют нулевую массу.

Фактически, было показано Гелл-Манном, Оуксом и Реннером (GMOR) ^[9] , что квадрат массы пиона пропорционален сумме масс кварков, умноженных на конденсат кварков : , с конденсатом кварков. Это часто известно как соотношение GMOR , и оно явно показывает, что в пределе безмассового кварка. Тот же результат следует и из голографии светового фронта . ^[10] $M_{\pi}^{2}=(m_{u}+m_{d})B+{\mathcal {O}}(m^{2})$ $B=\vert \langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle /f_ {\pi }^{2}\vert _{m_{q}\to 0}$ $M_{\пи}=0$

Эмпирически, поскольку легкие кварки на самом деле имеют ничтожно малые ненулевые массы, пионы также имеют ненулевые массы покоя . Однако эти массы почти на порядок меньше, чем у нуклонов, примерно ^[9] $m$ _π ≈ ⁠√ $вм q$ / $ф$ _π ⁠ ≈ √ $m q$ 45 МэВ, где $m q$ — соответствующие массы токового кварка в МэВ, около 5−10 МэВ.

Пион — одна из частиц, опосредующих остаточное сильное взаимодействие между парой нуклонов . Это взаимодействие является притягивающим: оно притягивает нуклоны вместе. Записанное в нерелятивистской форме, оно называется потенциалом Юкавы . Пион, будучи бесспиновым, имеет кинематику , описываемую уравнением Клейна–Гордона . В терминах квантовой теории поля эффективный лагранжиан теории поля , описывающий пион-нуклонное взаимодействие, называется взаимодействием Юкавы .

Почти одинаковые массы
π^±
и
π⁰
указывают на то, что должна быть симметрия в игре: эта симметрия называется симметрией аромата SU(2) или изоспином . Причина, по которой есть три пиона,
π⁺
,
π⁻
и
π⁰
, заключается в том, что они понимаются как принадлежащие триплетному представлению или присоединенному представлению 3 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 пионы участвуют в большей, SU(3), ароматической симметрии в присоединенном представлении SU(3) 8. Другими членами этого октета являются 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 хиральной аномалии .

Основные свойства

Пионы, которые являются мезонами с нулевым спином , состоят из кварков первого поколения . В кварковой модели верхний кварк и антинижний кварк составляют
π⁺
, тогда как нижний кварк и антиверхний кварк составляют
π⁻
, и это античастицы друг друга. Нейтральный пион
π⁰
представляет собой комбинацию верхнего кварка с антиверхним кварком или нижнего кварка с антинижним кварком. Эти две комбинации имеют идентичные квантовые числа , и поэтому они встречаются только в суперпозициях . Самая низкоэнергетическая суперпозиция из них — это
π⁰
, который является своей собственной античастицей. Вместе пионы образуют триплет изоспина . Каждый пион имеет изоспин ( I = 1) и изоспин третьей компоненты, равный его заряду ( I _z = +1, 0 или −1).

Распады заряженных пионов

The
π^±
мезоны имеют массу139,6 МэВ/ ^с2и среднее время жизни2,6033 × 10−8 ^с . Они распадаются из-за слабого взаимодействия . Первичный режим распада пиона с долей ветвления 0,999877 — это лептонный распад на мюон и мюонное нейтрино :

Второй наиболее распространенный режим распада пиона с долей ветвления 0,000123 также является лептонным распадом на электрон и соответствующее электронное антинейтрино . Этот «электронный режим» был открыт в ЦЕРНе в 1958 году: ^[11]

Подавление электронной моды распада по отношению к мюонной приблизительно (с точностью до нескольких процентов влияния радиационных поправок) определяется отношением полуширин реакций распада пион-электрон и пион-мюон,

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 спиновый 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) для сохранения чистого нулевого спина (и сохранения линейного импульса). Однако, поскольку слабое взаимодействие чувствительно только к левой компоненте хиральности полей, антинейтрино всегда имеет левую хиральность, что означает, что оно правостороннее, поскольку для безмассовых античастиц спиральность противоположна хиральности. Это означает, что лептон должен испускаться со спином в направлении его линейного импульса (т. е. также правостороннее). 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 того факта, что масса электрона намного меньше массы мюона. Электрон относительно безмассов по сравнению с мюоном, и поэтому электронная мода значительно подавлена по сравнению с мюонной и фактически запрещена. ^[12]

Хотя это объяснение предполагает, что нарушение четности вызывает подавление спиральности, фундаментальная причина кроется в векторной природе взаимодействия, которая диктует различную направленность для нейтрино и заряженного лептона. Таким образом, даже взаимодействие, сохраняющее четность, дало бы то же самое подавление.

Измерения вышеуказанного отношения десятилетиями считались проверкой универсальности лептона . Экспериментально это отношение равно1,233(2) ^×10−4 . [ ^1]

Помимо чисто лептонных распадов пионов, также наблюдались некоторые структурно-зависимые радиационные лептонные распады (то есть распад на обычные лептоны и гамма-лучи).

Также наблюдается, только для заряженных пионов, очень редкий « бета-распад пиона » (с ответвлением около 10−8 ⁾ на нейтральный пион, электрон и электронное антинейтрино (или для положительных пионов — на нейтральный пион, позитрон и электронное нейтрино).

Скорость распада пионов является важной величиной во многих областях физики элементарных частиц, таких как киральная теория возмущений . Эта скорость параметризуется константой распада пиона (ƒ _π ), связанной с перекрытием волновых функций кварка и антикварка, которое составляет около130 МэВ . ^[13]

Распады нейтральных пионов

The
π⁰
мезон имеет массу135,0 МэВ/ ^с2и среднее время жизни8,5 × 10−17 ^с . ^[1] Он распадается посредством электромагнитного взаимодействия , что объясняет , почему его среднее время жизни намного меньше, чем у заряженного пиона (который может распадаться только посредством слабого взаимодействия ).

Доминирующий
π⁰
Распад моды с коэффициентом ветвления BR 2γ = 0,98823 _{происходит} на два фотона :

Распад
π⁰
→ 3γ(а также распадается на любое нечетное число фотонов) запрещено С-симметрией электромагнитного взаимодействия: Внутренняя С-четность
π⁰
равна +1, тогда как C-четность системы из $n$ фотонов равна (−1) ^$n$ .

Второй по величине
π⁰
Режим распада ( BR _{γe e} = 0,01174 ) — это распад Далица (названный в честь Ричарда Далица ), который представляет собой двухфотонный распад с внутренней конверсией фотона, приводящей к образованию фотона и пары электрон - позитрон в конечном состоянии:

Третий по величине установленный режим распада ( BR _{2e2 e} =3,34 × 10−5 ) — двойной распад ^Далица , при котором оба фотона подвергаются внутренней конверсии, что приводит к дальнейшему подавлению скорости:

Четвертым по величине установленным режимом распада является петлевой и, следовательно, подавленный (и дополнительно подавленный спиральностью ) лептонный режим распада ( BR _{e e} =6,46 × 10−8 ⁾ :

Нейтральный пион также был обнаружен распадающимся на позитроний с ветвящейся фракцией порядка 10 ⁻⁹ . Никаких других режимов распада экспериментально не установлено. Вышеуказанные ветвящиеся фракции являются центральными значениями PDG , и их неопределенности опущены, но доступны в цитируемой публикации. ^[1]

^[a] ^ Состав неточный из-за ненулевых масс кварков. ^[15]

Смотрите также

Ссылки

^ abcdefghi Zyla, PA; et al. (Particle Data Group) (2020). "Обзор физики частиц". Progress of Theoretical and Experimental Physics . 2020 (8): 083C01. doi : 10.1093/ptep/ptaa104 . hdl : 11585/772320 .
^ Акерманн, М.; и др. (2013). «Обнаружение характерной сигнатуры распада пиона в остатках сверхновых». Science . 339 (6424): 807–811. arXiv : 1302.3307 . Bibcode :2013Sci...339..807A. doi :10.1126/science.1231160. PMID 23413352. S2CID 29815601.
^ C. Lattes, G. Occhialini, H. Muirhead и C. Powell (1947). «Процессы с участием заряженных мезонов». Nature . 159 (1): 694–698. Bibcode :2014PhP....16....3V. doi :10.1007/s00016-014-0128-6. S2CID 122718292.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ CL Vieria, AA P Videira (2014). «Cesar Lattes, Nuclear Emulsions, and the Discovery of the Pi-meson». Physics in Perspective . 16 (1): 2–36. Bibcode :2014PhP....16....3V. doi :10.1007/s00016-014-0128-6. S2CID 122718292.
^ Риазуддин (1959). «Зарядовый радиус пиона». Physical Review . 114 (4): 1184–1186. Bibcode : 1959PhRv..114.1184R. doi : 10.1103/PhysRev.114.1184.
^ Бьорклунд, Р.; Крэндалл, У. Э.; Мойер, Б. Дж.; Йорк, Х. Ф. (1949). «Высокоэнергетические фотоны от столкновений протонов и нуклонов» (PDF) . Physical Review . 77 (2): 213–218. Bibcode : 1950PhRv...77..213B. doi : 10.1103/PhysRev.77.213. hdl : 2027/mdp.39015086480236.
^ Зи, Энтони (7 декабря 2013 г.). «Квантовая теория поля, Энтони Зи | Лекция 2 из 4 (лекции, прочитанные в 2004 г.)». YouTube . aoflex.(цитата 57:04 из 1:26:39)
^ von Essen, CF; Bagshaw, MA; Bush, SE; Smith, AR; Kligerman, MM (1987). «Долгосрочные результаты пионной терапии в Лос-Аламосе». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . 13 (9): 1389–1398. doi :10.1016/0360-3016(87)90235-5. PMID 3114189.
^ ab Гелл-Манн, М.; Реннер, Б. (1968). "Поведение расхождений тока при SU3×SU3" (PDF) . Physical Review . 175 (5): 2195–2199. Bibcode :1968PhRv..175.2195G. doi :10.1103/PhysRev.175.2195.
^ SJ Brodsky, GF de Teramond, HG Dosch и J. Erlich (2015) «Голографическая квантовая хромодинамика на световом фронте и возникающее ограничение» Phys. Rep. 584, 1-105
^ Fazzini, T.; Fidecaro, G.; Merrison, A.; Paul, H.; Tollestrup, A. (1958). «Электронный распад пиона». Physical Review Letters . 1 (7): 247–249. Bibcode : 1958PhRvL...1..247F. doi : 10.1103/PhysRevLett.1.247.
^ Мезоны в Гиперфизике
^ Лептонные распады заряженных псевдоскалярных мезонов Дж. Л. Рознер и С. Стоун. Группа данных по частицам. 18 декабря 2013 г.
^ Амслер, К.; и др. ( Particle Data Group ) (2008). "Quark Model" (PDF) . Lawrence Berkeley Laboratory . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
^ Гриффитс, DJ (1987). Введение в элементарные частицы . John Wiley & Sons . ISBN 0-471-60386-4.

Дальнейшее чтение

Джеральд Эдвард Браун и А.Д. Джексон, Взаимодействие нуклонов (1976), North-Holland Publishing, Амстердам ISBN 0-7204-0335-9

Внешние ссылки

Медиа, связанные с Pions на Wikimedia Commons
Мезоны в группе данных о частицах