Pion - Pion

Pion
Struktura kwarka pion.svg
Struktura kwarkowa dodatnio naładowanego pionu.
Kompozycja
Statystyka bozonowy
Rodzina Mezony
Interakcje Silny , słaby , elektromagnetyczny i grawitacyjny
Symbol
π+
,
π0
, oraz
π
Antycząstka
Teoretyzowana Hideki Yukawa (1935)
Odkryty
Rodzaje 3
Masa
Średnia żywotność
Ładunek elektryczny
Opłata kolor 0
Kręcić się 0
Izospina
Nadmierne doładowanie 0
Parytet -1
Parzystość C +1

W fizyce cząstek , A pion (lub mezonem PI , oznaczoną greckiej litery PI :
π
) jest jedną z trzech cząstek subatomowych :
π0
,
π+
, oraz
π
. Każdy pion składa się z kwarka i antykwarka, a zatem jest mezonem . Piony są najlżejszymi mezonami i, bardziej ogólnie, najlżejszymi hadronami . Są niestabilne, z naładowanymi pionami
π+
oraz
π
zanika po średnim czasie życia 26,033  nanosekund (2,6033 × 10 -8  sekund), a pion neutralny
π0
zanika po znacznie krótszym czasie życia 85  attosekund (8,5 x 10 -17  sekund). Piony naładowane najczęściej rozpadają się na miony i neutrina mionowe , podczas gdy piony neutralne na ogół na promienie gamma .

Wymiana wirtualnych pionów, wraz z mezonami wektora , rho i omega , wyjaśnia szczątkowe oddziaływanie silne między nukleonami . Piony nie są produkowane w rozpadzie radioaktywnym , ale często w zderzeniach wysokoenergetycznych między hadronami . Piony powstają również w wyniku niektórych zdarzeń anihilacji materii – antymaterii . Wszystkie rodzaje pionów powstają również w naturalnych procesach, kiedy wysokoenergetyczne protony promieniowania kosmicznego i inne hadronowe składniki promieniowania kosmicznego oddziałują z materią w ziemskiej atmosferze. W 2013 roku wykrycie charakterystycznego promieniowania gamma pochodzącego z rozpadu pionów neutralnych w dwóch pozostałościach po supernowych wykazało, że piony są produkowane obficie po supernowych, najprawdopodobniej w połączeniu z produkcją wysokoenergetycznych protonów, które są wykrywane na Ziemi jako promieniowanie kosmiczne.

Pion odgrywa również kluczową rolę w kosmologii, narzucając górną granicę energii promieni kosmicznych przeżywających zderzenia z kosmicznym mikrofalowym tłem , przez granicę Greisena-Zatsepina-Kuzmina .

Historia

Animacja oddziaływania siły jądrowej (lub szczątkowej siły silnej). Małe kolorowe podwójne dyski to gluony. Aby uzyskać informacje na temat wyboru antykolorów, patrz Ładowanie kolorów § Czerwony, zielony i niebieski .
Ten sam proces, co w animacji z pokazanymi pojedynczymi składnikami kwarków , aby zilustrować, w jaki sposób fundamentalne oddziaływanie silne powoduje powstanie siły jądrowej. Linie proste to kwarki, a wielokolorowe pętle to gluony (nośniki siły podstawowej). Inne gluony, które wiążą ze sobą proton, neutron i pion „w locie”, nie są pokazane.

Prace teoretyczne Hideki Yukawy z 1935 roku przewidywały istnienie mezonów jako cząstek nośnych silnych sił jądrowych . Z zakresu silnych oddziaływań jądrowych (wnioskowanych z promienia jądra atomowego ) Yukawa przewidział istnienie cząstki o masie około 100 MeV/c 2 . Początkowo po odkryciu w 1936 r. uważano, że jest to mion (nazywany początkowo „mezonem mu”), ponieważ ma on masę 106 MeV/c 2 . Jednak późniejsze eksperymenty wykazały, że mion nie brał udziału w silnym oddziaływaniu jądrowym. We współczesnej terminologii sprawia to, że mion jest leptonem , a nie mezonem. Jednak niektóre społeczności astrofizyków nadal nazywają mion „mezonem mu”. Piony, które okazały się być przykładami mezonów proponowanych przez Yukawę, odkryto później: piony naładowane w 1947 roku, a pion neutralny w 1950 roku.

W 1947 roku, dzięki współpracy prowadzonej przez Cecila Powella na Uniwersytecie w Bristolu w Anglii , odkryto pierwsze prawdziwe mezony, naładowane piony . Artykuł odkrywczy miał czterech autorów: César Lattes , Giuseppe Occhialini , Hugh Muirhead i Powell. Ponieważ pojawienie się akceleratorów cząstek jeszcze nie nadeszło, wysokoenergetyczne cząstki subatomowe można było uzyskać jedynie z atmosferycznego promieniowania kosmicznego . Emulsje fotograficzne oparte na procesie żelatynowo-srebrowym umieszczano przez długi czas w miejscach położonych w górach wysokogórskich, najpierw w Pic du Midi de Bigorre w Pirenejach , a później w Chacaltaya w Andach , gdzie wybijano płyty przez promienie kosmiczne. Po wywołaniu klisze fotograficzne zostały sprawdzone pod mikroskopem przez zespół kilkunastu kobiet. Marietta Kurz była pierwszą osobą, która wykryła niezwykłe ślady „podwójnego mezonu”, charakterystyczne dla pionu rozpadającego się na mion , ale znajdowały się one zbyt blisko krawędzi emulsji fotograficznej i zostały uznane za niekompletne. Kilka dni później Irene Roberts zaobserwowała ślady pozostawione przez rozpad pionów, które pojawiły się w dokumencie odkrywczym. Obie kobiety są wymienione w podpisach pod rycinami w artykule.

W 1948 Lattes , Eugene Gardner , a ich zespół pierwszy sztucznie piony At The University of California „s cyklotronu w Berkeley, Kalifornia , przez bombardowanie atomów węgla, o wysokiej prędkości cząstki alfa . Dalsze zaawansowane prace teoretyczne przeprowadzono Riazuddin , który w 1959 roku korzystał z relacji dyspersji dla Comptona z wirtualnych fotonów na piony do analizy ich promień naładowania.

Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki przyznano Yukawie w 1949 r. za teoretyczne przewidywanie istnienia mezonów oraz Cecilowi ​​Powellowi w 1950 r. za opracowanie i zastosowanie techniki wykrywania cząstek przy użyciu emulsji fotograficznych .

Ponieważ pion neutralny nie jest naładowany elektrycznie , jest trudniejszy do wykrycia i obserwacji niż piony naładowane. Piony neutralne nie pozostawiają śladów w emulsjach fotograficznych lub komorach mgłowych Wilsona . Istnienie pionu neutralnego zostało wywnioskowane z obserwacji produktów jego rozpadu z promieni kosmicznych , tzw. „miękkiego składnika” wolnych elektronów z fotonami. ten
π0
został ostatecznie zidentyfikowany w cyklotronie Uniwersytetu Kalifornijskiego w 1950 roku, obserwując jego rozpad na dwa fotony. Później w tym samym roku zaobserwowano je również w eksperymentach balonowych na promieniowanie kosmiczne na Uniwersytecie w Bristolu.

... wiesz jak Yukawa wybrała tę grecką literę π ? To z powodu chińskiego charakteru. W języku chińskim ... ten znak 介 oznacza pośredniczyć. I tak Yukawa najwyraźniej myślał o mezonie jako o pośredniku między nukleonami.

Możliwe zastosowania

Zastosowanie pionów w radioterapii medycznej, np. w leczeniu raka, było badane w wielu instytucjach badawczych, w tym w Meson Physics Facility w Los Alamos National Laboratory , który leczył 228 pacjentów w latach 1974-1981 w Nowym Meksyku , oraz w TRIUMF laboratorium w Vancouver, Kolumbia Brytyjska .

Przegląd teoretyczny

W standardowym rozumieniu oddziaływania sił silnych, zdefiniowanego przez chromodynamikę kwantową , piony są luźno przedstawiane jako bozony Goldstone'a o spontanicznie złamanej symetrii chiralnej . To wyjaśnia, dlaczego masy trzech rodzajów pionów są znacznie mniejsze niż masy innych mezonów, takich jak mezony skalarne lub wektorowe. Gdyby ich obecne kwarki były cząstkami bezmasowymi, symetria chiralna mogłaby być dokładna, a zatem twierdzenie Goldstone'a dyktowałoby, że wszystkie piony mają masę zerową.

W rzeczywistości, Gell-Mann, Oakes i Renner (GMOR) wykazali, że kwadrat masy pionu jest proporcjonalny do sumy mas kwarków pomnożonych przez kondensat kwarków : , z kondensatem kwarków. Jest to często znane jako relacja GMOR i wyraźnie pokazuje, że w granicach bezmasowych kwarków. Ten sam wynik wynika również z holografii Light-front .

Empirycznie, ponieważ kwarki lekkie mają w rzeczywistości mikroskopijne, niezerowe masy, piony również mają niezerowe masy spoczynkowe . Jednak masy te są prawie o rząd wielkości mniejsze niż nukleonów, mniej więcej m πvm q / f π m q 45 MeV, gdzie m q to odpowiednie masy kwarków prądu w MeV, około 5-10 MeV.

Pion można traktować jako jedną z cząstek pośredniczących w szczątkowym oddziaływaniu silnym między parą nukleonów . Ta interakcja jest atrakcyjna: przyciąga do siebie nukleony. Zapisany w formie nierelatywistycznej, nazywa się potencjałem Yukawy . Pion, będąc bezobrotowym, ma kinematykę opisaną równaniem Kleina-Gordona . W terminologii kwantowej teorii pola , efektywna teoria pola Lagrange'a opisująca oddziaływanie pion-nukleon nazywa się oddziaływaniem Yukawy .

Niemal identyczne masy
π±
oraz
π0
wskazują, że musi istnieć symetria: ta symetria nazywana jest symetrią smaku SU(2) lub izospin . Powód, dla którego są trzy piony,
π+
,
π
oraz
π0
, jest to, że są one rozumiane jako należące do reprezentacji trypletowej lub reprezentacji sprzężonej 3 SU(2). Natomiast kwarki górny i dolny przekształcają się zgodnie z reprezentacją fundamentalną 2 SU(2), podczas gdy antykwarki przekształcają się zgodnie z reprezentacją sprzężoną 2* .

Po dodaniu dziwnego kwarku , piony uczestniczą w większej symetrii SU(3), w reprezentacji sprzężonej 8 SU(3). Pozostałymi członkami tego oktetu są cztery kaony i mezon eta .

Piony to pseudoskalary podlegające transformacji parzystości . W ten sposób prądy pionów sprzęgają się z osiowym prądem wektorowym iw ten sposób uczestniczą w anomalii chiralnej .

Podstawowe właściwości

Piony, które są mezonami o zerowym spinie , składają się z kwarków pierwszej generacji . W modelu kwarków , z twarogu się i anty- kwark dolny uzupełnić
π+
, natomiast kwark dolny i antykwark górny tworzą
π
, a to są wzajemne antycząstki . Pion neutralny
π0
jest kombinacją kwarku górnego z antykwarkiem górnym lub kwarka dolnego z antykwarkiem dolnym. Obie kombinacje mają identyczne liczby kwantowe , a zatem występują tylko w superpozycjach . Najniższa z nich superpozycja to
π0
, który jest własną antycząstką. Razem piony tworzą trójkę izospinu . Każdy pion ma izospinę ( I  = 1) i izospin trzeciego składnika
równą jego ładunkowi ( I z  = +1, 0 lub -1).

Naładowany pion rozpada się

Schemat Feynmana dominującego rozpadu pionu leptonicznego.

ten
π±
mezonami mają masę z139,6  MeV / C 2 i średni czas od2.6033 x 10 -8  s . Rozpadają się z powodu słabego oddziaływania . Pierwotny sposób rozpadu pionu, z frakcją rozgałęzioną 0,999877, to rozpad leptoniczny na mion i neutrino mionowe :


π+

μ+
+
ν
μ

π

μ
+
ν
μ

Drugim najczęstszym sposobem rozpadu pionu, z frakcją rozgałęzioną 0,000123, jest również rozpad leptoniczny na elektron i odpowiadające mu antyneutrino elektronowe . Ten „tryb elektroniczny” został odkryty w CERN w 1958 roku:


π+

mi+
+
ν
mi

π

mi
+
ν
mi

Tłumienie trybu rozpadu elektronowego w stosunku do mionowego jest podane w przybliżeniu (do kilku procent efektu korekcji radiacyjnych) przez stosunek szerokości połówkowych reakcji rozpadu pion-elektron i pion-mion,

i jest efektem spinu znanym jako tłumienie helicity .

Jego mechanizm jest następujący: pion ujemny ma spin zero; dlatego lepton i antyneutrino muszą być emitowane z przeciwnymi spinami (i przeciwnymi pędami liniowymi), aby zachować wypadkowy spin zerowy (i zachować liniowy pęd). Ponieważ jednak oddziaływanie słabe jest wrażliwe tylko na lewą chiralną składową pól, antyneutrino zawsze ma chiralność lewoskrętną , co oznacza, że ​​jest prawoskrętne, ponieważ dla antycząstek bezmasowych helicity jest przeciwne do chiralności. Oznacza to, że lepton musi być wyemitowany ze spinem zgodnym z kierunkiem jego liniowego pędu (tj. również prawoskrętnym). Gdyby jednak leptony były bezmasowe, oddziaływałyby z pionem tylko w postaci lewoskrętnej (bo dla cząstek bezmasowych helicity jest tym samym co chiralność) i ten tryb rozpadu byłby zabroniony. Dlatego tłumienie kanału rozpadu elektronów wynika z faktu, że masa elektronu jest znacznie mniejsza niż masa mionu. Elektron jest stosunkowo bezmasowy w porównaniu z mionem, a zatem mod elektroniczny jest znacznie stłumiony w stosunku do mionowego, co jest praktycznie zabronione.

Chociaż to wyjaśnienie sugeruje, że naruszenie parzystości powoduje tłumienie helicity, fundamentalna przyczyna leży w wektorowej naturze oddziaływania, która dyktuje inną orientację neutrina i naładowanego leptonu. Tak więc nawet interakcja zachowująca parzystość dawałaby to samo stłumienie.

Pomiary powyższego stosunku od dziesięcioleci uważane są za test uniwersalności leptonu . Eksperymentalnie stosunek ten wynosi1,233 (2) x 10 -4 .

Poza czysto leptonicznymi rozpadami pionów zaobserwowano również pewne zależne od struktury radiacyjne rozpady leptonowe (to znaczy rozpad do zwykłych leptonów plus promieniowanie gamma).

Zaobserwowano również, tylko dla pionów naładowanych, bardzo rzadki „ rozpad beta pionu ” (z frakcją rozgałęzień około 10-8 ) na pion obojętny, elektron i antyneutrino elektronowe (lub dla pionów dodatnich pion obojętny, pozyton). i neutrino elektronowe).


π

π0
+
mi
+
ν
mi

π+

π0
+
mi+
+
ν
mi

Szybkość rozpadu pionów jest znaczącą wielkością w wielu poddziedzinach fizyki cząstek elementarnych, takich jak chiralna teoria zaburzeń . Szybkość ta jest sparametryzowana przez stałą rozpadu pionu ( ƒ π ), związaną z nakładaniem się funkcji falowej kwarku i antykwarku, czyli około130 MeV .

Neutralny pion rozpada się

ten
π0
mezon ma masę 135,0 MeV/ c 2 i średni czas życia8,5 x 10 -17  s . Rozpada się pod wpływem siły elektromagnetycznej , co wyjaśnia, dlaczego jego średni czas życia jest znacznie krótszy niż naładowanego pionu (który może się rozpaść tylko pod wpływem słabego oddziaływania ).

Anomalia indukowane neutralny rozpad pion.

Dominujący
π0
Tryb rozpadu, z rozgałęzień stosunku do BR = 0.98823, na dwie fotonów :


π0
2
γ
.

Rozpad
π0
→ 3
γ
(jak również rozpadów na dowolną nieparzystą liczbę fotonów) jest zabroniona przez C-symetrię oddziaływania elektromagnetycznego: Wewnętrzna C-parzystość
π0
wynosi +1, podczas gdy parzystość C układu n fotonów wynosi (−1) n .

Drugi najwiekszy
π0
tryb rozpadu ( BR γe e = 0,01174 ) to rozpad Dalitza (od nazwiska Richarda Dalitza ), który jest rozpadem dwufotonowym z wewnętrzną konwersją fotonów, w wyniku której foton i para elektron - pozyton znajdują się w stanie końcowym:


π0

γ
+
mi
+
mi+
.

Trzeci co do wielkości ustalony tryb zaniku ( BR 2e2 e =3,34 x 10 -5 ) jest dwukrotnie Dalitz zaniku, przy czym oba fotony poddawanych konwersji, co prowadzi do dalszego tłumienia wewnętrznej stopy:


π0

mi
+
mi+
+
mi
+
mi+
.

Czwarte co do wielkości ustanowiony tryb rozpad jest pętla wywołane a zatem tłumione (oraz dodatkowo helikalności -suppressed) Tryb rozpad Leptonów ( BR e e =6,46 x 10 -8 )


π0

mi
+
mi+
.

Zaobserwowano również, że pion obojętny rozpada się na pozytronium z frakcją rozgałęzioną rzędu 10-9 . Żadne inne tryby zaniku nie zostały ustalone eksperymentalnie. Powyższe frakcje rozgałęziające są wartościami centralnymi PDG , a ich niepewności są pominięte, ale dostępne w cytowanej publikacji.

Piony

Nazwa cząstki

Symbol cząstki

Symbol antycząstek

Zawartość kwarków
Masa reszta ( MeV / C 2 ) ja G J P C S C B' Średnia żywotność ( s ) Zwykle rozpada się do
(>5% rozpadów)
Pion
π+

π

ty

D
139,570 39 ± 0,000 18 1 0 0 0 0 2,6033 ± 0,0005 × 10 -8
μ+
+
ν
μ
Pion
π0
Samego siebie 134,976 8 ± 0,000 5 1 0 −+ 0 0 0 8,5 ± 0,2 × 10 -17
γ
+
γ

[a] ^ Makijaż niedokładny ze względu na niezerowe masy kwarków.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

  • Multimedia związane z Pionami w Wikimedia Commons
  • Mezony w Grupie Danych Cząstek