Пион (пи-мезон)

Пионы (или пи-мезоны) — это тип элементарных частиц, являющихся мезонами. Мезоны — это адроны, состоящие из одного кварка и одного антикварка, и они участвуют в сильном взаимодействии. Пионы играют ключевую роль в ядерной физике и квантовой хромодинамике (КХД) как переносчики сильного взаимодействия между нуклонами (протонами и нейтронами) в атомных ядрах.

 

Основные свойства пионов

1. Типы пионов:

   • Положительный пион (${\pi }^{+}$): состоит из одного верхнего кварка ($u$) и одного анти-донного кварка ($\bar{d}$).
   • Отрицательный пион (${\pi }^{-}$): состоит из одного донного кварка ($d$) и одного анти-верхнего кварка ($\bar{u}$).
   • Нейтральный пион (${\pi }^0$): суперпозиция состояний $u\bar{u}$ и $d\bar{d}$.

2. Массы:

   • Масса ${\pi }^{+}$ и ${\pi }^{-}$ составляет около 139.6 МэВ/с².
   • Масса ${\pi }^0$ составляет около 135.0 МэВ/с².

3. Электрический заряд:

   • ${\pi }^{+}$: +1 элементарный заряд.
   • ${\pi }^{-}$: -1 элементарный заряд.
   • ${\pi }^0$: электрически нейтральный.

4. Спин: 0. Пионы являются бозонами, так как имеют целый спин.

5. Изотопический спин: Пионы составляют изотопическое триплетное состояние, что связано с изотопическим спином, аналогичным обычному спину, но относящимся к симметриям кварков.

 

История открытия

Пионы были предсказаны японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 году как частицы, которые должны передавать сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах. В 1947 году английский физик Сесил Пауэлл с коллегами экспериментально обнаружил пионы при исследовании космических лучей, что подтвердило гипотезу Юкавы. За это открытие Юкава и Пауэлл получили Нобелевские премии по физике.

 

Распад пионов

Пионы являются нестабильными частицами и распадаются на другие частицы:

1. ${\pi }^{+}$ и ${\pi }^{-}$ распадаются, главным образом, на мюон и соответствующее мюонное нейтрино:

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

   Эти распады происходят с временем жизни порядка $2.6\times 10^{-8}$ секунд.

2. ${\pi }^0$ распадается, в основном, на два фотона:

   • ${\pi }^0\to \gamma +\gamma$

   Время жизни ${\pi }^0$ значительно короче и составляет около $8.4\times 10^{-17}$ секунд.

 

Роль в ядерной физике и КХД

Пионы играют важную роль в физике частиц и ядерной физике, будучи основными носителями сильного взаимодействия на малых расстояниях. Они обмениваются между нуклонами и обеспечивают силу, связывающую протоны и нейтроны в ядре, что является основным механизмом, объясняющим ядерные силы. Этот механизм был впервые предложен Юкавой и лежит в основе современного понимания ядерной материи.

В контексте квантовой хромодинамики пионы являются псевдоскалярными мезонами и представляют собой наиболее легкие частицы среди адронов, что объясняется их статусом голдстоуновских бозонов, связанных с нарушением спонтанной симметрии хирального поля.

 

Исследования и эксперименты

Пионы активно исследуются в различных экспериментах, связанных с физикой высоких энергий. Они участвуют в реакциях, происходящих в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (LHC), и играют важную роль в детекторах частиц, где используются для изучения взаимодействий кварков и глюонов.

Кроме того, понимание свойств и взаимодействий пионов важно для астрофизики, в частности, в контексте процессов, происходящих в нейтронных звездах и в космических лучах.

 

Заключение

Пионы — это ключевые частицы в физике частиц и ядерной физике, выполняющие роль посредников сильного взаимодействия. Их изучение продолжает оставаться актуальной задачей в научных исследованиях, направленных на углубление понимания фундаментальных сил природы и структуры материи.