Просмотр кода страницы Пион (частица)

{{другие значения|Пион (значения)}}
{{Информация о частице
 |цвет_фона                      = 
 |имя                            = Пион
 |символ                         = <math>\pi^\pm \quad (\pi^0)</math>
 |num_types                      = 3
 |семья                          = [[бозон]]
 |группа                         = [[адрон]], [[мезон]], псевдо-[[голдстоуновский бозон]], [[псевдоскаляр]]ный бозон
 |названа                        = {{lang-el|πῖ}} — ''буква пи'' и {{lang-el2|μέσον}} — ''средний''
 |взаимодействие                 = [[Сильное взаимодействие|Сильное]], [[электромагнитное взаимодействие|электромагнитное]], [[слабое взаимодействие|слабое]] и [[Гравитация|гравитационное]]
 |античастица                    = <math>\pi^{\mp} \quad (\pi^0)</math>
 |масса                          = {{nobr|заряженные: 139,57061(24) [[МэВ]]}}<br>{{nobr|нейтральный: 134,9770(5) МэВ}}
 |время_жизни                    = {{nobr|заряженные: 2,6033(5){{e|−8}} с}}<br>{{nobr|нейтральный: 8,20(0,24){{e|−17}} с}}
 |теоретически_обоснована        = [[Юкава, Хидэки|Хидэки Юкава]], в [[1935 год]]у
 |обнаружена                     = В [[1947 год]]у
 |электрический_заряд            = ±1 (0)
 |барионное_число                = 0
 |спин                           = 0
 |изотопический_спин             = ±1 &nbsp;&nbsp;&nbsp; (0)
 |слабый_изоспин_3               = +1
 |чётность                       = −1
 |странность                     = 0
 |очарование                     = 0
 |гиперзаряд                     = 0
 |слабый_гиперзаряд              = 0, -2;-1
 |схема_распада                  = [[мюон|{{math|μ<sup>+</sup>}}]] + [[мюонное нейтрино|{{math|ν<sub>μ</sub>}}]] &nbsp;&nbsp;&nbsp; (2[[фотон|{{math|γ}}]])
 |кварковый_состав               = заряженные: <math>u\bar{d},d\bar{u}</math><br>нейтральный: <math>(u\bar{u}-d\bar{d})/\sqrt{2}</math>
}}
'''Пио́н''', '''пи-мезо́н''' ({{lang-el|πῖ}} — ''буква пи'' и {{lang-el2|μέσον}} — ''средний'') — три вида [[Субатомная частица|субатомных частиц]] из группы [[мезон]]ов. Обозначаются {{math|π<sup>0</sup>}} (встречается собственное название — '''нейтретто'''<ref>{{книга | автор = Франкфурт У. И.| заглавие = Закон сохранения и превращения энергии | издание = 1е | место = М.| издательство = Наука| год = 1978| страницы = 158| страниц = 196|ref=Франкфурт}}</ref>), {{math|π<sup>+</sup>}} и {{math|π<sup>−</sup>}}. Имеют наименьшую массу среди мезонов.
Открыты в [[1947 год]]у. Являются переносчиками ядерных сил между нуклонами в ядре. Заряженные пионы обычно распадаются на [[мюон]] и мюонное (анти)[[нейтрино]], нейтральные — на два [[гамма-квант]]а.

== Свойства ==
Пионы всех видов:
* состоят из пары [[кварк]]-[[антикварк]] первого поколения;
* имеют отрицательную [[Чётность (физика)|чётность]] и нулевой [[спин]] (поэтому эти частицы являются [[псевдоскаляр]]ными);
* являются псевдо-[[Голдстоуновский бозон|голдстоуновскими бозонами]] ([[бозон]]ами [[Намбу, Йоитиро|Намбу]]—[[Голдстоун, Джеффри|Голдстоуна]] со спонтанно нарушенной [[симметрия|симметрией]]), поэтому они гораздо легче других мезонов (например, масса [[Эта-мезон|η-мезона]] равна 547,75 М[[Электронвольт|эВ]]/{{math|''c''}}²).

Виды {{math|π}}-мезонов, согласно кварковой модели:
* '''Заряженные''':
** [[u-кварк|{{math|''u''}}]]-кварк и анти-[[d-кварк|{{math|''d''}}]]-кварк формируют {{math|π<sup>+</sup>}}-мезон;
** Из {{math|''d''}}-кварка и анти-{{math|''u''}}-кварка состоит {{math|π<sup>−</sup>}}-мезон, античастица {{math|π<sup>+</sup>}}-мезона.
* '''Электрически нейтральные''' комбинации ({{math|''u''}} + анти-{{math|''u''}}) и ({{math|''d''}} + анти-{{math|''d''}}) могут существовать только в виде их [[квантовая суперпозиция|суперпозиции]] <math>(u\bar{u}-d\bar{d})/\sqrt{2}</math>, так как несут одинаковый набор [[квантовые числа|квантовых чисел]]. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции — {{math|π<sup>0</sup>}}-мезон, являющийся античастицей для себя самого ([[Истинно нейтральные частицы|истинно нейтральная частица]], подобно [[фотон]]у). Нейтральный пион, состоящий из кварка и соответствующего ему антикварка (точнее, из суперпозиции таких состояний), представляет собой один из видов {{нп3|оний|ониев|en|onium}} (связанных состояний частицы и античастицы). Его можно было бы назвать [[Кварконий|кварконием]], однако обычно этот термин относят к системам из тяжёлых кварков. 

Все пионы состоят из кварков и антикварков первого поколения, поэтому они обладают нулевыми [[Аромат (физика)|ароматами]], как явными, так и скрытыми: [[странность]]ю {{math|''S''}}, [[Очарование (квантовое число)|очарованием]] {{math|''C''}}, [[Прелесть (квантовое число)|прелестью]] {{math|''B′''}} и [[Истинность (квантовое число)|истинностью]] {{math|''T''}}.

Зарядовый радиус заряженных пионов равен 0,659(4) [[фемтометр|фм]]<ref name=pdg1>{{статья|автор=Tanabashi M. et al. (Particle Data Group)|заглавие={{math|π<sup>±</sup>}}|издание=Phys. Rev. D|год=2018|том=98|выпуск=|страницы=030001|ссылка=http://pdg.lbl.gov/2019/listings/rpp2019-list-pi-plus-minus.pdf|doi=|arxiv=|язык=en|archivedate=2020-03-29|archiveurl=https://web.archive.org/web/20200329220851/http://pdg.lbl.gov/2019/listings/rpp2019-list-pi-plus-minus.pdf}} {{free access}}</ref>.

== Связанные системы пионов ==
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 (атом)|пионий]], экзотический атом, связанный, главным образом, кулоновским притяжением. Время жизни такой системы (ок. 3{{e|−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<ref name="hep-ph/9808407">{{статья|автор=Adeva B. et al.|заглавие=Determination of {{math|ππ}} scattering lengths from measurement of {{math|π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>}} atom lifetime|издание=[[Physics Letters B]]|год=2011|том=704|выпуск=1—2|страницы=24—29|ссылка=|doi=10.1016/j.physletb.2011.08.074|arxiv=1109.0569|bibcode=2011PhLB..704...24A|язык=en}} {{free access}}</ref>.

== Распад пи-мезонов ==
Распад нейтрального пиона обусловлен [[Электромагнитное взаимодействие|электромагнитным]] взаимодействием, тогда как заряженные пионы распадаются посредством [[Слабое взаимодействие|слабого]] взаимодействия, [[константа связи]] которого значительно меньше. Поэтому [[Период полураспада|периоды полураспадов]] нейтрального и заряженного пионов существенно различаются.

=== Заряженные ===
[[Файл:PiPlus-muon-decay.png|right|thumb|300px|[[Фейнмановская диаграмма]] доминирующего лептонного распада заряженного пиона]]
Мезоны <math>\pi^+, \pi^-</math> имеют [[масса|массу]] 139,57061(24) MэВ/{{math|''c''}}² и относительно большое, по ядерным меркам, [[время жизни]]: 2,6033(5){{e|−8}} секунды<ref name=pdg>{{статья|автор=Tanabashi M. et al. (Particle Data Group)|заглавие=Light unflavored mesons ({{math|''S'' {{=}} ''C'' {{=}} ''B'' {{=}}}} 0)|издание=Phys. Rev. D|год=2018|том=98|выпуск=|страницы=030001|ссылка=http://pdg.lbl.gov/2019/tables/rpp2019-sum-mesons.pdf|doi=|arxiv=|язык=en|archivedate=2020-08-12|archiveurl=https://web.archive.org/web/20200812053623/https://pdg.lbl.gov/2019/tables/rpp2019-sum-mesons.pdf}}{{free access}}</ref>. Доминирующим (с вероятностью 99,98770(4) %) является канал распада в [[мюон]] и мюонное [[нейтрино]] или [[антинейтрино]]:

: <math>\pi^+\to\mu^++\nu_\mu,</math>

: <math>\pi^-\to\mu^-+\bar{\nu}_\mu.</math>

Следующим по вероятности каналом распада заряженных пионов является радиативный (то есть сопровождающийся гамма-квантом) вариант указанного выше распада (<math>\pi^+\to\mu^++\nu_\mu + \gamma</math> и <math>\pi^-\to\mu^-+\bar{\nu}_\mu + \gamma</math>), который происходит лишь в 0,0200(25) % случаев<ref name=pdg/>. Следующим идёт сильно подавленный (0,01230(4) %) распад на [[позитрон]] и [[электронное нейтрино]] (<math>\pi^+\to e^++\nu_e</math>) для положительного пиона и на [[электрон]] и электронное антинейтрино (<math>\pi^-\to e^-+\bar{\nu}_e</math>) — для отрицательного пиона<ref name=pdg/>. Причина подавления «электронных» распадов по сравнению с «мюонными» — сохранение [[спиральность частицы|спиральности]] для ультрарелятивистских частиц, возникающих в «электронных» распадах: [[Кинетическая энергия|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:

: <math>R_\pi = (m_e/m_\mu)^2 \left(\frac{M_\pi-M_e}{M_\pi-M_\mu}\right)^2.</math>

Измерения этого множителя позволяют проверить наличие возможных малых правых примесей к левым ({{math|''V − A''}}) заряженным токам в слабом взаимодействии.

Как и в случае мюонных распадов, радиативные электронные распады (<math>\pi^+\to e^++\nu_e + \gamma</math> и <math>\pi^-\to e^- + \bar{\nu}_e + \gamma</math>) сильно подавлены по сравнению с безрадиативными, их вероятность лишь 7,39(5){{e|−5}} %<ref name=pdg/>.

Ещё более сильно подавленным по вероятности (1,036(6){{e|−6}} %) является распад положительного пиона на нейтральный пион, [[позитрон]] и [[электронное нейтрино]] (<math>\pi^+ \to \pi^0 + e^+ + \nu_e</math>) и отрицательного пиона на нейтральный пион, [[электрон]] и [[электронное антинейтрино]] (<math>\pi^- \to \pi^0 + e^- + \bar{\nu_e}</math>)<ref name=pdg/>. Подавление этого распада объясняется законом сохранения векторного тока в слабом взаимодействии<ref>{{книга|автор=[[Прокошкин, Юрий Дмитриевич|Прокошкин Ю. Д.]], Дунайцев А. Ф., Петрухин В. И., Рыкалин В. И.|часть=Бета-распад пиона|заглавие=Физика элементарных частиц : Избранные труды|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=Ю. Д. Прокошкин ; Российская академия наук, Институт физики высоких энергий ; ред. Л. Г. Ландсберг |место=М|издательство=Наука|год=2006|том=|страницы=51—58|страниц=|isbn=5-02-035321-3|серия=Памятники отечественной науки. XX век}} </ref>.

Наконец, обнаружен ещё один тип распадов заряженных пионов. В этом случае продуктами распада положительного пиона являются позитрон, электронное нейтрино и электрон-позитронная пара (<math>\pi^+ \to e^+ + \nu_e + e^+ + e^-</math>), а отрицательного — электрон, электронное антинейтрино и электрон-позитронная пара (<math>\pi^- \to e^- + \bar{\nu}_e + e^+ + e^-</math>). Вероятность такого распада составляет 3,2(5){{e|−7}} %<ref name=pdg/>.

=== Нейтральные ===
Нейтральный пи-мезон <math>\pi^0</math> имеет немного меньшую массу (134,9770(5) MэВ/{{math|''c''}}²) и ''гораздо'' меньшее [[время жизни]], чем заряженные пи-мезоны: 8,52(18){{e|−17}} секунды<ref name=pdg/>. Главным (вероятность 98,823(34) %) является канал распада в два [[фотон]]а<ref name=pdg/>:

: <math>\pi^0 \to 2\gamma.</math>

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<ref name=pdg/>:

: <math>\pi^0 \to \gamma + e^+ + e^-</math>

(включая редкий вариант, когда электрон-позитронная пара рождается в связанном состоянии — в виде [[позитроний|позитрония]]; вероятность такого исхода составляет 1,82(29){{e|−7}} %<ref name=pdg/>).

Следующие по вероятности каналы распада нейтрального пиона — безрадиативные распады в две (вероятность 3,34(16){{e|−3)}}%) и одну (6,46(33){{e|−6)}}%) электрон-позитронные пары<ref name=pdg/>:

: <math>\pi^0 \to e^+ + e^- + e^+ + e^-,</math>
: <math>\pi^0 \to e^+ + e^-.</math>

Предсказаны, но пока не обнаружены каналы распада в четыре фотона (экспериментально вероятность ограничена величиной менее 2{{e|−6}}) %) и в нейтрино-антинейтринную пару (менее 2,7{{e|−5}}) %)<ref name=pdg/>.

== История открытия ==
В теоретической работе [[Юкава, Хидэки|Хидэки Юкавы]] в [[1935 год]]у было предсказано, что существуют частицы, переносящие [[сильное взаимодействие]], — '''мезоны''' (первоначально Юкава предложил название ''мезотрон'', но был исправлен [[Гейзенберг, Вернер Карл|Вернером Гейзенбергом]], чей отец преподавал [[греческий язык]]).

=== Заряженные пи-мезоны ===
В [[1947 год]]у заряженные пионы были экспериментально обнаружены группой исследователей под руководством [[Пауэлл, Сесил Фрэнк|Сесила Фрэнка Пауэлла]]. Поскольку [[Ускоритель заряженных частиц|ускорителей]], достаточно мощных для рождения пионов, в то время ещё не существовало, проводился поиск с помощью [[фотопластинка|фотопластинок]], поднятых на [[аэростат]]е в [[Стратосфера|стратосферу]], где они подвергались воздействию [[космические лучи|космических лучей]] (фотопластинки также устанавливались в горах, — например, в астрофизической лаборатории на вулкане [[Чакалтая]] в [[Анды|Андах]]). После спуска воздушного шара на [[Эмульсия (фотография)|фотоэмульсии]] были обнаружены следы заряженных частиц, среди которых были мезоны. За свои достижения Юкава (в [[1949 год]]у) и Пауэлл (в [[1950 год]]у) были награждены [[Нобелевская премия по физике|Нобелевской премией по физике]].

=== Электрически нейтральные пи-мезоны ===
Обнаружить нейтральный мезон <math>\pi^0</math> 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 год]]у. Время жизни нейтральных мезонов было экспериментально определено в 1963 году<ref>{{книга|автор=[[Перкинс, Дональд Хилл|Перкинс Д.]]|часть=|заглавие=Введение в физику высоких энергий|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=|место=М.|издательство=[[Мир (издательство)|Мир]]|год=1975|том=|страницы=85—88|страниц=|isbn=|тираж=}}</ref>.

== Переносчики сильного взаимодействия ==
В настоящее время (согласно [[квантовая хромодинамика|квантовой хромодинамике]]) известно, что [[сильное взаимодействие]] осуществляется посредством [[глюон]]ов. 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<ref>{{книга|автор=[[Вентцель, Грегор|Вентцель Г.]]|часть=|заглавие=Введение в квантовую теорию волновых полей|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=|место=М|издательство=ОГИЗ Техтеориздат|год=1947|том=|страницы=92—136|страниц=|isbn=|тираж=}}</ref>. Силы взаимодействия, переносимые пионами (например, ядерные силы, связывающие [[нуклон]]ы в [[Атомное ядро|атомном ядре]]), можно компактно описать при помощи [[потенциал Юкавы|потенциала Юкавы]]. 

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Литература ==
* ''[[Бете, Ханс|Бете Г.]], Гофман Ф.'' Мезоны и поля. Том II. Мезоны. - М., [[Иностранная литература (издательство)|ИЛ]], 1957. - 514 c.
* ''[[Кириллов-Угрюмов, Виктор Григорьевич|Кириллов-Угрюмов В. Г.]], Никитин Ю. П., Сергеев Ф. М.'' Атомы и мезоны. - М., [[Атомиздат]], 1980. - 216 c.

== Ссылки ==
* Экспериментальные свойства [http://pdg.lbl.gov/2019/listings/rpp2019-list-pi-plus-minus.pdf заряженных] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2019/listings/rpp2019-list-pi-plus-minus.pdf |date=20200329220851 }} и [http://pdg.lbl.gov/2019/listings/rpp2019-list-pi-zero.pdf нейтральных] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2019/listings/rpp2019-list-pi-zero.pdf |date=20200329220852 }} пионов (сайт [[Particle Data Group]], англ.) {{free access}}.
*[https://ab-news.ru/2021/05/29/nejtralnyj-pion-vremya-zhizni/ Физики точно измеряют время жизни нейтрального пиона] {{Wayback|url=https://ab-news.ru/2021/05/29/nejtralnyj-pion-vremya-zhizni/ |date=20210529050704 }}

{{Частицы}}

[[Категория:Мезоны]]