Пі-мезон

сімвал	π± (π0)
маса	139,57018(35) (134,9766(6)) МэВ
антычасціца	$\pi ^{\mp }\quad (\pi ^{0})$
класы	базон, адрон, мезон
квантавыя лікі
электрычны зарад	±1     (0)
спін	0
ізатапічны спін	±1     (0)
барыённы лік	0
дзіўнасць	0
чароўнасць	0
Іншыя ўласцівасці і звесткі
час жыцця	2,6033(5)×10−8 с (8,4(6)×10−17 с)
каналы распаду	μ+ + νμ     (2γ)
састаў часціцы	$u{\bar {d}},d{\bar {u}},(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})$

Пі-мезо́н, піо́н (грэч. πῖ — літара пі і μέσον — сярэдні) — тры віды субатамных часціц з групы мезонаў. Абазначаюцца π⁰, π⁺ і π⁻. Маюць найменшую масу сярод мезонаў. Былі адкрыты ў 1947 годзе.

Уласцівасці

Піоны маюць нулявы спін і складаюцца з пары кварк-антыкварк першага пакалення. Паводле кваркавай мадэлі u- і анты-d-кваркі ўтвараюць π⁺-мезон, з d і анты-u-кваркаў складаецца яго антычасціца, π⁻-мезон. Электрычна-нейтральныя камбінацыі u і анты-u і d і анты-d могуць існаваць толькі ў выглядзе суперпазіцыі, бо яны маюць аднолькавы набор квантавых лікаў. Самы нізкі энергетычны стан падобнай суперпазіцыі ёсць π⁰ мезон, які з'яўляецца антычасціцаю для самога сябе (сапраўды нейтральная часціца, як фатон).

Фейнманаўская дыяграма асноўнага шляху лептоннага распаду зараджанага піона.

Мезоны $\pi ^{+},\pi ^{-}$ маюць масу 139,6 MэВ/c² і адносна вялікі, па ядзерных мерках, перыяд паўраспаду 2,6×10⁻⁸ секунды. Асноўным каналам распаду (з імавернасцю 99,9877 %) з'яўляецца канал распаду на мюон і нейтрына ці антынейтрына:

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

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

Наступным па імавернасці каналам распаду зараджаных піонаў з'яўляецца моцна заглушаны (малаімаверны: 0,0123 %) распад дадатнага піона на пазітрон і электроннае нейтрына

$\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e},$

адмоўнага піона — на электрон і электроннае антынейтрына

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

Прычына заглушэння электронных распадаў у параўнанні з мюоннымі заключаецца ў захаванні спіральнасці для ультрарэлятывісцкіх часціц: кінетычная энергія як электрона, так і нейтрына ў гэтым распадзе значна большая за іх масы, таму іх спіральнасць з высокай дакладнасцю захоўваецца.

Нейтральны пі-мезон $\pi ^{0}$ мае трохі меншую масу 135,0 MэВ/c² і значна меншы перыяд паўраспаду 8,4×10⁻¹⁷ секунды. Галоўным (імавернасць 98,798 %) з'яўляецца канал распаду на два фатоны:

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

Распад нейтральнага піона абумоўлен электрамагнітным узаемадзеяннем, тады як зараджаныя піоны распадаюцца праз слабае ўзаемадзеянне, пастаянная сувязі якога значна меншая. Таму перыяды паўраспадаў нейтральнага і зараджанага піонаў істотна адрозніваюцца.

Цотнасць піона адмоўная, яго спін нулявы, таму гэта часціца з'яўляецца псеўдаскалярнаю.

Гісторыя адкрыцця

У тэарэтычнай працы Х. Юкавы ў 1935 годзе было прадказана існаванне часціц-пераносчыкаў моцнага ўзаемадзеяння — мезонаў (спачатку Юкава прапанаваў быў назву мезатрон, але яго паправіў В. Гейзенберг, чый бацька выкладаў грэчаскую мову). У 1947 годзе зараджаныя піоны былі эксперыментальна выяўлены групай даследчыкаў пад кіраўніцтвам С. Пауэла. А як паскаральнікаў з энергіяй, дастатковай для параджэння піонаў, у той час яшчэ не было, пошук ажыццяўляўся з дапамогай фотапласцінак, паднятых на аэрастаце ў стратасферу, дзе яны траплялі пад уздзеянне касмічных прамянёў (фотапласцінкі таксама ўстанаўліваліся ў гарах, напрыклад, у астрафізічнай лабараторыі на вулкане Чакалтайя ў Андах). Пасля спуску паветранага шара на фотаэмульсіі былі выяўлены сляды зараджаных часціц, сярод якіх былі мезоны. За свае дасягненні Х. Юкава ў 1949 г. і С. Пауэл у 1950 г. былі ўзнагароджаны Нобелеўскаю прэміяй.

Выявіць нейтральны мезон $\pi ^{0}$ значна цяжэй, бо з-за свае электрычнай нейтральнасці ён не пакідае слядоў у фотаэмульсіі. Мезон $\pi ^{0}$ быў выяўлен па прадуктах распаду ў 1950 годзе.

Піоны з'яўляюцца псеўда-голдстоўнаўскімі базонамі (базонамі Намбу — Голдстоўна са спантана парушанаю сіметрыяй). Гэта з'яўляецца прычынай таго, што маса піонаў значна меншая за масу іншых мезонаў, напрыклад η-мезона (547,75 МэВ/c²).

Тэарэтычны агляд

На цяперашні час, згодна з квантавай хромадынамікай, вядома, што моцнае ўзаемадзеянне пераносіцца глюонамі. Тым не менш, можна сфармуляваць так званую эфектыўную тэорыю ўзаемадзеяння ўнутрыядзерных часціц (Сігма-мадэль), у якой пераносчыкамі ўзаемадзеяння з'яўляюцца піоны. Нягледзячы на тое, што гэта тэорыя (прапанаваная Х. Юкавой) справядліва толькі для пэўнага прамежку энергій, яна дазваляе праводзіць спрошчаныя разлікі ў гэтым дыяпазоне і даваць больш наглядныя тлумачэнні. Напрыклад, сілы ўзаемадзеяння, якія пераносяцца піонамі, можна кампактна апісаць з дапамогай патэнцыялу Юкавы.

Спасылкі

• Эксперыментальныя ўласцівасці зараджаных і нейтральных піонаў (сайт Particle Data Group). (англ.)