Пион (честичка)

Пион

Кварковата структура на пионот.
Состав	π+ : u d π0 : u u или d d π− : d u
Статистика	Бозонска
Заемодејства	Силно, слабо, електромагнетно и гравитациско
Симбол	π+ , π0 и π−
Предвиденна	Хидеки Јукава (1935)
Откриена	Цезар Латес, Џузепе Окиалини (1947) и Сесил Франк Пауел
Видови	3
Маса	π± : 139,57018 ± (35) MeV/c2 π0 : 134,9766 ± (6) MeV/c2
Ел. полнеж	π+ : +1 e π0 : 0 e π− : −1 e
Спин	0
Парност	−1

Во честичната физика, пион (или пи-мезон, означена со грчко писмо пи:
π
) е која било од три субатомски честички:
π0
,
π+
и
π−
. Секој пион се состои од кварк и антикварк и затоа е meson. Пионите се најсветлите mesons и, генерално, најсветлите адрони. Тие се нестабилни, со наелектризирани пиони
π+
и
π−
распаѓање со просечен животен век на 26.033 наносекунди (2,6033⋅10^-8 секунди), и неутрални пиони
π0
мошти со многу пократок животен век на 8,4⋅10^-17 секунди. Наелектризираните пиони најчесто се распаѓаат во мион и muon неутрина, додека неутрални пиони генерално се распаѓаат во гама-зраци.

Размена на виртуелните пиони, заедно со вектор, rho и омега mesons, дава објаснување за остаток на јадрена сила помеѓу nucleons. Пионите не се произведуваат при радиоактивно распаѓање, но најчесто се произведуваат во високоенергетски забрзувачи во судири меѓу адроните. Сите видови на пиони исто така се произведуваат во природни процеси кога протоните на високоенергетски космички зраци и другите компоненти на хадронски космички зраци комуницираат со материјата во атмосферата на Земјата. Неодамна, откривањето на карактеристичните гама-зраци што потекнуваат од распаѓањето на неутралните пиони во две остатоци од супернова покажаа дека пионите се продуцираат обилно после супернова, најверојатно во врска со производство на протони со висока енергија кои се откриени на Земјата како космички зраци.

Концептот на мезони како честички на носачот на јадрената сила првпат беше предложен во 1935 година од Хидеки Јукава. Додека мјуон за првпат беше предложен да биде оваа честичка по нејзиното откритие во 1936 година, подоцна работата покажа дека не учествувала во силната јадрена интеракција. Подоцна биле откриени пионите, кои се покажале како примери за предложените мезони на Јукава: наелектризираните пиони во 1947 година и неутралниот пион во 1950 година.

Историја

Анимација на јадрена сила (или остаток на јадрената сила) интеракција. Мали обоени двојни дискови се gluons. Anticolors се прикажани во овој дијаграм (поголема верзија).

На истиот процес како и во анимацијата со поединечните кварк состојки прикажан, за да се илустрира како фундаменталните сили на интеракција доведува до јадрена сила. Прави линии се кваркови, додека разнобојните циклуси се gluons (носители на основните сила). Други gluons, кои се врзуваат заедно протон, неутронот, и пион "во лет," не се прикажуваат.

Теоретската работа на Хидеки Јкава во 1935 година го предвидела постоењето на мезони како честички на носачите на силната јадрена сила. Од опсегот на силна јадрена сила (заклучен од полупречникот на атомското јадро), Јукава го предвиде постоењето на честичка со маса од околу 100 MeV. Првично по неговото откритие во 1936 година, муонот (првично наречен "му мезон") се сметаше за оваа честичка, бидејќи има маса од 106 MeV. Сепак, подоцна експерименти покажаа дека мјунот не учествувал во силната јадрена интеракција. Во модерната терминологија, ова го прави мјуон лептон, а не мезон. Сепак, некои заедници на астрофизичари продолжуваат да го нарекуваат мјуон "му-мезон".

Во 1947 година, првте вистински mesons, наелектризирани пиони, беа пронајдени од страна на соработката на Cecil Пауел, César Lattes, Џузепе Occhialini, et al., на Универзитетот во Бристол, Англија. Од доаѓањето на честички акцелератори имаше уште не дојде, високоенергетски субатомски честички беа само можат да се добијат од атмосферски космички зраци. Фотографски emulsions врз основа на желатин-сребрен процес беа поставени за долги периоди на време, во места кои се наоѓале на голема надморска височина планините, прво во Слик du Midi де Bigorre во Pyrenees, а подоцна и во Chacaltaya во Андите, каде што плочите беа погодени од космички зраци.

По развојот на фотографски плочи, микроскопски преглед на emulsions ги откриле трагите на наелектризирани субатомски честички. Пионите за првпат беа идентификувани од страна на нивните необични "двојно meson" траки, кои биле оставени од своите распаѓања во наводен meson. Честичката беше идентификувана како muon, кое не е обично се класифицираат како meson во модерната честична физика. Во 1948 година, Lattes, Јуџин Гарднер, и на нивниот тим биле првите кои создале вештачки пиони во Универзитетот на Калифорнија's cyclotron во Беркли, Калифорнија, со бомбандирање на јаглеродони атоми и алфа-честички со голема брзина. Понатамошна теоретска работа беше спроведена од страна на Riazuddin, кој во 1959 година, ја искотистил дисперзионата релација за Compton расејување на виртуелни фотони на пиони за да ги анализираат нивните наелектризирани полупречници.

Нобелови Награди за Физика биле доделени на Јукава во 1949 година за неговите теоретски предвидување на постоењето на мезони, и на Cecil Пауел во 1950 година, за развој и примена на техниката на откривање честички со користење на фотографски emulsions.

Бидејќи неутралниот пион не е наелектризиран, потешко е да се открие и да се набљудуваат од наелектризирани пиони. Неутраленте пиони не оставаат траги во фотографски emulsions или Вилсон облак комори. Постоењето на неутрален пион беше заклучено од набљудување на нејзиното распаѓање од космички зраци, т.н. "мека компонента" на бавни електрони со фотони.
π0
беше идентификуван дефинитивно на Универзитетот на Калифорнија cyclotron во 1950 година со набљудување на неговото распаѓање во два фотони. Подоцна во истата година, тие беа набљудувани во космичко-зрачни балонски експерименти во Бристол Универзитетот.

Пион исто така игра клучна улога во космологијата, со наметнување на горната граница на енергијата на космичките зраци кои преживуваат судири со космичкaта микробранова позадина, преку Greisen–Zatsepin–Кузмин граница.

Во стандардниот разбирање на силната сила на интеракција, како што е дефинирано од страна на квантната chromodynamics, pions се лабаво претставени како Голдстоун bosons на спонтано скршени chiral симетрич-ност. Тоа објаснува зошто масите на три видови на pions се значително помалку отколку на други mesons, како што scalar или вектор mesons. Доколку нивната сегашна quarks беа massless честички, тоа би можело да се направи chiral симетрич-ност точно и така Голдстоун теорема ќе диктира дека сите pions имаат нула маса. Empirically, бидејќи светлината quarks всушност имаат мала nonzero масите, pions, исто така, имаат nonzero остатокот масите. Сепак, оние тежини се речиси еден ред на големина помала од онаа на nucleons, грубо м_π ≈ √v m_q / с_π ≈ √m_q 45 MeV, каде што м се релевантни тековната кварк масите во MeV, 5-10 MeVs.

Употребата на pions во медицинската терапија со зрачење, како што се рак, беше евидентирана во голем број на истражувачки институции, вклучувајќи го Лос Аламос Националната Лабораторија's Meson Физика на Објектот, кои се третираат 228 пациенти помеѓу 1974 и 1981 година во Ново Мексико, и TRIUMF лабораторија во Ванкувер, Британска Колумбија.

Теоретски преглед

На pion може да се смета за еден од честички кои посредува интеракцијата помеѓу еден пар на nucleons. Оваа интеракција е привлечна: тоа повлекува на nucleons заедно. Напишано во не-relativistic форма, тоа се нарекува Yukawa потенцијал. На pion, се spinless, има kinematics се опишани од страна на Klein–Гордон равенка. Во однос на квантно поле теорија, делотворна областа теорија Lagrangian опишување на pion-nucleon интеракција е наречен Yukawa интеракција.

На речиси идентични масите на
π±
и
π0
значи дека не мора да биде симетрич-ност на игра, ова симетрич-ност се нарекува ДИН(2) вкус симетрич-ност или isospin. Причината поради која постојат три pions,
π+
,
π−
и
π0
, е дека тоа се подразбира да припаѓаат на тројката, претставување или adjoint застапеност 3 на ДИН(2). Од друга страна, горе и долу quarks се трансформира според основните застапеност 2 на ДИН(2), додека анти-quarks се трансформира според коњугат застапеност 2*.

Со тоа на чуден кварк, може да се каже дека pions учествува во SU(3) вкус симетрич-ност, кои припаѓаат на adjoint застапеност 8 од СУ(3). Другите членови на овој октет се четири kaons и eta meson.

Pions се pseudoscalars под паритет трансформација. Pion струи така двојка на axial вектор на сегашните и pions учествуваат во chiral аномалија.

Основни својства

Pions, кои се mesons со нула спин, се составени од првагенерација quarks. Во кварк модел, до кварк и анти-надолу кварк се направи до
π+
додека надолу кварк и анти-up кварк се направи до
π−
и овие се antiparticles од еден на друг. На неутрален pion
π0
е комбинација на горе кварк со анти-up кварк или надолу кварк со анти-надолу кварк. Двете комбинации имаат идентични квантните броеви, и оттука, тие се најде само во superpositions. Најниска енергија superposition од нив е
π0
која е неговата сопствена antiparticle. Заедно, pions форма тројката на isospin. Секој pion има isospin (I = 1) и трето-компонента isospin еднаков на своето полнење (I_z = +1, 0 ) или -1).

Распаѓање на наелектризиран пион

Feynman дијаграм на доминантната leptonic pion распаѓање.

На
π±
mesons имаат маса на 139,6 и значи живот на 2,6033. Тие распаѓање поради слаба интеракција. Основно распаѓање на владата на pion, со разгранување дел на 0.999877, е leptonic распаѓање во muon и muon neutrino:

Втората најчеста распаѓање на владата на pion, со разгранување дел од 0.000123, е исто така leptonic распаѓање во еден електрон и соодветните електрони antineutrino. Оваа "електронски режим" беше откриена во ЦЕРН во 1958 година:

Сузбивање на електронски распаѓање на владата во однос на muonic една е дадена околу (до неколку проценти ефект на radiative исправки) од односот на половина-ширини на pion–електрони и pion–muon распаѓање реакции:

$R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {m_{\pi }^{2}-m_{e}^{2}}{m_{\pi }^{2}-m_{\mu }^{2}}}\right)^{2}=1.283\times 10^{-4}$

и е спин ефект познат како helicity сузбивање. Нејзиниот механизам е како што следува: негативни pion има спин нула, затоа lepton и antineutrino мора да биде емитирана со спротивниот врти (и обратно линеарна momenta) за да се зачува нето нула спин (и зачувување линеарна динамика). Сепак, бидејќи слабиот интеракција е чувствителна само на левото chirality компонента на полиња, antineutrino отсекогаш chirality лево, што значи дека е во право-раце, бидејќи за massless анти-честички на helicity е спротивна на chirality. Ова имплицира дека lepton мора да биде емитирана со вртат во насока на линеарна динамика (односно, исто така, право раце). Ако, сепак, leptons беа massless, тие само ќе комуницирате со pion во левата рака форма (бидејќи за massless честички helicity е иста како и chirality) и оваа распаѓање на владата ќе биде забрането. Затоа, сузбивање на електрони распаѓање канал доаѓа од фактот дека електрони маса е многу помал од muon. Електронот е така релативно massless во споредба со muon, и на тој начин електронски режим е речиси забрането. Иако ова објаснување сугерира дека паритет повреда е сторена helicity сузбивање, треба да се нагласи дека основната причина лежи во вектор-природа на интеракција која бара различни handedness за neutrino и обвинет lepton. На тој начин, дури и паритет чување интеракција ќе го добијат истиот сузбивање.

Мерења на погоре сооднос се смета за децении да биде тест на lepton универзалност. Експериментално, овој сооднос е (1,230 ± (4))⋅10^-4.

Покрај чисто leptonic се распаѓа на pions, некои структура зависат од radiative leptonic се распаѓа (што е, расипување на вообичаените leptons плус гама-зраци), исто така, се забележани.

Исто така, забележани, обвинет за pions само, се многу ретки "pion бета распаѓање" (со разгранување дел од околу 10⁻⁸) во неутрален pion, еден електрон и еден електрон antineutrino (или за позитивен pions, неутрален pion, позитрон, и електрони neutrino).

Стапката на која pions распаѓање е истакнат количина во многу под-области на честички физиката, како што се chiral perturbation теорија. Оваа стапка е parametrized од pion распаѓање постојана (ѓ_π), поврзани со бран функцијата за преклопување на кварк и antiquark, што е за 130 MeV.

Распаѓање на неутрален пион

На
π0
meson има маса од 135,0 MeV/c² и значи живот, на 8,4⋅10^-17 с. Тоа се распаѓа преку електромагнетна сила, со што се објаснува зошто неговата значи живот е многу помал од оној на обвинет pion (кој може само да се распаѓање преку слаба сила). Главната π⁰ распаѓање на владата, со разгранување односот на BR=0.98823, е во два фотони:

π0

→

2 γ .

Распаѓањето π⁰ → 3γ (како и се распаѓа во секој непарен број на фотони) е забрането од страна на C-симетрич-ност на електромагнетни интеракција. Внатрешна C-паритет на π⁰ е +1, додека C-паритет на систем од n фотони е (−1)ⁿ.

Вториот по големина π⁰ распаѓање на владата (BR=0.01174) е Dalitz распаѓање (именуван по Ричард Dalitz), која е на две-фотон распаѓање со внатрешно фотонско претворање резултира фотон и електрони-позитрон пар во финалето државата:

π0

→

γ

+

e−

+

e+ .

Третиот најголем режим на распаѓање (BR = 3.34 × 10-5) е двојното распаѓање на Далиц, при што и двата фотони се подложени на внатрешно претворање, што доведува до понатамошно потиснување на стапката:

π0

→

e−

+

e+

+

e−

+

e+ .

Четвртиот по големина режим на распаѓање е индуциран со јамка и затоа е потиснат (и дополнително helicity-потиснат) лептонски режим на распаѓање.(BR=6,46):

π0

→

e−

+

e+ .

Кај неутрален пион, исто така, беше забележано распаѓање во positronium со разгранување дел од редот на 10⁻⁹. Други режими на распаѓање не биле формирани експериментално. На разгранување фракции погоре се PDG централните вредности и нивната нестабилност не се котирани.

Пиони

Име на честичката	Симбол на честички	Симбол на античестички	Кваркова содржина	Маса на мирување (MeV/c2)	IG	JPC	S	C	B'	Среден полуживот (s)	Вообичаено се распаѓа (>5% од распадите)
Пион	π+	π−	u d	139.570 18 ± 0.000 35	1−	0−	0	0	0	2.6033 ± 0.0005 × 10−8	μ+ + ν μ
Пион	π0	Самиот на себе	${\tfrac {\mathrm {u{\bar {u}}} -\mathrm {d{\bar {d}}} }{\sqrt {2}}}$	134.976 6 ± 0.000 6	1−	0−+	0	0	0	8.4 ± 0.6 × 10−17	γ + γ

^[a] ^ Make-up inexact due to non-zero quark masses.

Поврзано

• Пиониум
• Список на честички
• Кварков модел
• Статички сили и размена на виртуелни честички
• Цезар Латес

Дополнителна литература

• Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction, (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9

Надворешни врски

• Mesons at the Particle Data Group