Pæon (partikel)

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

En familie	boson
Gruppe	hadron , meson , pseudo- Goldstone boson , pseudoskalær boson
Deltager i interaktioner	Stærk , elektromagnetisk , svag og gravitationel
Antipartikel	$\pi ^{\mp}\quad (\pi ^{0})$
Antal typer	3
Vægt	ladet: 139,57061(24) MeV neutral: 134,9770(5) MeV
Livstid	opladet: 2,6033(5)⋅10 −8 s neutral: 8,20(0,24)⋅10 −17 s
Teoretisk begrundet	Hideki Yukawa , i 1935
Opdaget	I 1947
Hvem eller hvad er opkaldt efter	græsk πῖ - bogstavet pi og μέσον - midten
kvantetal
Elektrisk ladning	±1 (0)
baryon nummer	0
Spin	0 ħ
Paritet	−1
Isotopisk spin	±1 (0)
Tredje komponent af svag isospin	+1
Mærkelighed	0
charmen	0
Hypercharge	0
Svag hypercharge	0, -2; -1
Andre ejendomme
Quark sammensætning	opladet: neutral: $u{\bar {d)),d{\bar {u}}$ $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$
Forfaldsordning	μ + + ν μ (2 γ )
Mediefiler på Wikimedia Commons

Pæon , pi-meson ( græsk πῖ - bogstavet pi og μέσον - midten ) - tre typer subatomære partikler fra gruppen af mesoner . Betegnes π 0 , π + og π − . De har den mindste masse blandt mesoner. Åbnede i 1947 . De er bærere af nukleare kræfter mellem nukleoner i kernen. Ladede pioner henfalder normalt til en myon og en muon (anti) neutrino , neutrale pioner til to gamma-kvanter .

Egenskaber

Pæoner af alle slags:

består af et par kvark - antikvark af første generation;
har negativ paritet og nul spin (derfor er disse partikler pseudoskalære );
er pseudo - Goldstone-bosoner ( Nambu - Goldstone - bosoner med spontant brudt symmetri ), så de er meget lettere end andre mesoner (for eksempel er massen af η-mesonen 547,75 MeV / c² ) .

Typer af π mesoner ifølge kvarkmodellen:

Opkrævet :
- u -kvarken og anti - d -kvarken dannerπ + mesonen;
- π − mesonen , antipartiklen af π + mesonen, består af d -kvarken og anti - u -kvarken .
Elektrisk neutrale kombinationer ( u + anti - u ) og ( d + anti - d ) kan kun eksistere som deres superposition , da de bærer det samme sæt af kvantetal . Den laveste energitilstand for en sådan superposition er π 0 -mesonen, som er dens egen antipartikel (en virkelig neutral partikel , som en foton ). En neutral pion, bestående af en kvark og dens tilsvarende antikvark (mere præcist, fra en superposition af sådanne tilstande), er en af typerne af onium $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$ (bundne tilstande af en partikel og en antipartikel). Det kunne kaldes quarkonia , men normalt refererer dette udtryk til systemer af tunge kvarker.

Alle pioner består af førstegenerationskvarker og antikvarker, så de har ingen smag , både eksplicitte og latente: mærkelighed S , charme C , charme B ′ og sandhed T.

Ladningsradius for ladede pioner er 0,659(4) fm [1] .

Relaterede pionsystemer

En negativt ladet pion kan indfanges af en atomkerne i en bane, der ligner en elektron, og med den danne et kortvarigt eksotisk atom - det såkaldte pionatom .

To forskelligt ladede pioner kan danne et bundet system - pionium , et eksotisk atom bundet hovedsageligt af Coulomb-tiltrækning. Levetiden for et sådant system (ca. 3⋅10 −15 s) er meget kortere end levetiden for en enkelt ladet pion, da partikel og antipartikel, der kommer ind i det, hurtigt tilintetgør hinanden og normalt danner to neutrale pioner, som hver især derefter henfalder til to fotoner [2] .

Pi meson henfald

Nedbrydningen af en neutral pion skyldes elektromagnetisk interaktion, mens ladede pioner henfalder gennem en svag interaktion, hvis koblingskonstant er meget mindre. Derfor er halveringstiden for neutrale og ladede pioner meget forskellige.

Opkrævet

Mesoner har en masse på 139,57061(24) MeV/ c ² og en relativt lang levetid efter nukleare standarder : 2,6033(5)⋅10 −8 sekunder [3] . Den dominerende kanal (med en sandsynlighed på 99,98770(4)%) er henfaldskanalen til en myon og en muon neutrino eller antineutrino : $\pi ^{+},\pi ^{-}$

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

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

Den næstmest sandsynlige kanal for henfaldet af ladede pioner er den radiative (det vil sige ledsaget af en gamma-kvante) variant af ovennævnte henfald ( og ), som kun forekommer i 0,0200(25) % af tilfældene [3] . Dernæst kommer det stærkt undertrykte (0,01230(4)%) henfald til en positron og en elektronneutrino ( ) for en positiv pion og til en elektron og en elektron antineutrino ( ) for en negativ pion [3] . Årsagen til undertrykkelsen af "elektroniske" henfald sammenlignet med "myon"-henfald er bevarelsen af heliciteten for ultrarelativistiske partikler, der opstår i "elektroniske" henfald: den kinetiske energi af både en elektron og en neutrino i dette henfald er meget større end deres masser, derfor bevares deres helicitet (med god nøjagtighed), og henfaldet undertrykkes i forhold til myontilstanden af 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}\venstre({\frac {M_{\pi}-M_{e)){M_{\pi }-M_{\ mu }}}\right)^{2}.

Målinger af denne faktor gør det muligt at kontrollere tilstedeværelsen af mulige små højrehåndede urenheder i venstrehåndede ( V − A ) ladede strømme i den svage vekselvirkning.

Som i tilfældet med myonhenfald er strålingselektronhenfald ( og ) stærkt undertrykt i sammenligning med ikke-strålende, deres sandsynlighed er kun 7,39(5)⋅10 −5 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu}}_{e}+\gamma$

Endnu stærkere undertrykt i sandsynlighed (1,036(6)⋅10 −6 %) er henfaldet af en positiv pion til en neutral pion, en positron og en elektronneutrino ( ) og en negativ pion til en neutral pion, en elektron og en elektron antineutrino ( ) [3] . Undertrykkelsen af dette henfald forklares af loven om bevarelse af vektorstrømmen i den svage interaktion [4] . ${\displaystyle \pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e))$ ${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$

Endelig er en anden type ladet pionforfald blevet opdaget. I dette tilfælde er produkterne af henfaldet af en positiv pion en positron, en elektronneutrino og et elektron-positron-par ( ), mens produkterne af en negativ pion er en elektron, en elektron-antineutrino og et elektron-positron-par ( ). Sandsynligheden for et sådant henfald er 3,2(5)⋅10 −7 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu}}_{e}+e^{+}+e^{-}$

Neutral

Den neutrale pion har en lidt lavere masse (134,9770(5) MeV/c² ) og en meget kortere levetid end ladede pioner: 8,52(18)⋅10 −17 sekunder [ 3] . Den vigtigste (sandsynlighed 98.823(34) %) er henfaldskanalen til to fotoner [3] : $\pi^0$

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

Hver af disse fotoner bortfører en energi på 67,49 MeV (hvis den henfaldne pion var i hvile).

Den anden i sandsynlighed (1,174(35)%) er henfaldskanalen til en foton og et elektron-positron-par [3] :

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

(herunder et sjældent tilfælde, hvor et elektron-positron-par er født i en bundet tilstand - i form af positronium ; sandsynligheden for et sådant udfald er 1,82(29)⋅10 −7 % [3] ).

De næste neutrale pion-henfaldskanaler med hensyn til sandsynlighed er strålingsløse henfald i to (sandsynlighed 3,34(16)⋅10−3 ) %) og et (6,46(33)⋅10−6 ) %) elektron-positron-par [3] :

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

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

Nedbrydningskanaler til fire fotoner (eksperimentelt begrænset til mindre end 2⋅10 −6 ) %) og til et neutrino-antineutrino-par (mindre end 2,7⋅10 −5 ) %) er blevet forudsagt, men endnu ikke opdaget [3] .

Opdagelseshistorie

I Hideki Yukawas teoretiske arbejde i 1935 blev det forudsagt, at der er partikler, der bærer den stærke kraft , mesoner (Yukawa foreslog oprindeligt navnet mesotron , men blev rettet af Werner Heisenberg , hvis far underviste i græsk ).

Charged pi mesons

I 1947 blev ladede pioner eksperimentelt opdaget af et team af forskere ledet af Cecil Frank Powell . Da der ikke var nogen acceleratorer , der var kraftige nok til at producere pioner på det tidspunkt, blev der foretaget en eftersøgning ved hjælp af fotografiske plader rejst med en ballon ind i stratosfæren , hvor de blev udsat for kosmiske stråler (fotografiske plader blev f.eks. også installeret i bjergene, f.eks. i et astrofysisk laboratorium på en vulkan " Chacaltaya " i Andesbjergene ). Efter nedstigningen af ballonen blev der fundet spor af ladede partikler på den fotografiske emulsion , blandt hvilke var mesoner. For deres præstationer blev Yukawa (i 1949 ) og Powell (i 1950 ) tildelt Nobelprisen i fysik .

Elektrisk neutrale pi mesons

Det er meget sværere at opdage en neutral meson (da den på grund af dens elektriske neutralitet ikke efterlader spor i fotografiske emulsioner og andre spordetektorer). Det blev identificeret ved dets forfaldsprodukter i 1950 . Levetiden for neutrale mesoner blev eksperimentelt bestemt i 1963 [5] . $\pi^0$

Stærke kraftbærere

Det er nu kendt (ifølge kvantekromodynamik ), at den stærke kraft medieres af gluoner . Ikke desto mindre er det muligt at formulere den såkaldte effektive teori om interaktionen af intranukleare partikler ( sigma-modellen ), hvor pioner er bærere af de nukleare kræfter af interaktion. På trods af at denne teori (foreslået af Yukawa) kun er korrekt i en vis række energier, giver den mulighed for forenklede beregninger i den og giver visuelle forklaringer [6] . Interaktionskræfterne båret af pioner (såsom de nukleare kræfter, der binder nukleoner i en atomkerne ) kan beskrives kompakt ved hjælp af Yukawa-potentialet .

Noter

↑ Tanabashi M. et al. (Partikeldatagruppe). π ± (engelsk) // Phys. Rev. D. - 2018. - Vol. 98 . — S. 030001 .
↑ Adeva B. et al. Bestemmelse af ππ spredningslængder ud fra måling af π + π − π + π − atomlevetid // Fysik Bogstaver B . - 2011. - Bd. 704 , udg. 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. (Partikeldatagruppe). Lette mesoner uden smag ( S = C = B = 0) (engelsk) // Phys. Rev. D. - 2018. - Vol. 98 . — S. 030001 .
↑ Yu . _ _ Russian Academy of Sciences, Institut for Højenergifysik; udg. L. G. Landsberg. - M . : Nauka, 2006. - S. 51-58. — (Monumenter for national videnskab. XX århundrede). — ISBN 5-02-035321-3 .
↑ Perkins D. Introduktion til højenergifysik. - M .: Mir , 1975. - S. 85-88.
↑ Wentzel G. Introduktion til kvanteteorien for bølgefelter. - M . : OGIZ Tekhteorizdat, 1947. - S. 92-136.

Litteratur

Bethe G. , Hoffman F. Mesoner og marker. Bind II. Mesoner. - M., IL , 1957. - 514 s.
Kirillov-Ugryumov V. G. , Nikitin Yu. P., Sergeev F. M. Atomer og mesoner. - M., Atomizdat , 1980. - 216 s.

Links

Eksperimentelle egenskaber for Charged Arkiveret 29. marts 2020 på Wayback Machine og Neutral Arkiveret 29. marts 2020 på Pion Wayback Machine ( Partikel Data Group- webstedet ) .
Fysikere måler præcist Neutral Pion Lifetime Arkiveret 29. maj 2021 på Wayback Machine

Partikler i fysik

fundamentale
partikler

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

Målestok	γ g W ± •Z 0
Skalar	Higgs boson

Sammensatte
partikler

hadroner

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

Forbindelser af fundamentale og (eller) sammensatte partikler

Almindelig	Atomkerner deuteron Triton Helion α atomer ioner Kationer anioner molekyler
Usædvanlig	I hypernucleus fysik : Λ -hypernuclei Hyperhydrogen Hypertriton Σ -hypernuclei Eksotiske atomer : Mesoatomer Muonic Muonisk hydrogen Hadronic pæon Kaonic Antiproton Σ -hyperonisk Lepton atomer positronium Muonium Dimuonium protonium Pæon mesommolekyle Dipositronium