Pivoňka (částice)

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

Rodina	boson
Skupina	hadron , mezon , pseudo- Goldstoneův boson , pseudoskalární boson
Účastní se interakcí	Silné , elektromagnetické , slabé a gravitační
Antičástice	$\pi ^{\mp }\quad (\pi ^{0})$
Počet typů	3
Hmotnost	nabito: 139,57061(24) MeV neutrál: 134,9770(5) MeV
Život	nabito: 2,6033(5)⋅10 −8 s neutrální: 8,20(0,24)⋅10 −17 s
Teoreticky oprávněné	Hideki Yukawa , v roce 1935
Objevil	V roce 1947
Po kom nebo co je pojmenováno	řecký πῖ - písmeno pí a μέσον - střední
kvantová čísla
Elektrický náboj	±1 (0)
baryonové číslo	0
Roztočit	0 ħ
Parita	−1
Izotopový spin	±1 (0)
Třetí složka slabého isospinu	+1
Podivnost	0
kouzlo	0
Hypercharge	0
Slabý hypernáboj	0, -2;-1
Další vlastnosti
Složení kvarku	nabitý: neutrální: $u{\bar {d)),d{\bar {u}}$ $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$
Schéma rozpadu	μ + + ν μ (2 γ )
Mediální soubory na Wikimedia Commons

Pivoňka , pi-mezon ( řecky πῖ - písmeno pi a μέσον - střední ) - tři typy subatomárních částic ze skupiny mezonů . Označuje se π 0 , π + a π − . Mají nejmenší hmotnost mezi mezony. Otevřeno v roce 1947 . Jsou nositeli jaderných sil mezi nukleony v jádře. Nabité piony se obvykle rozpadají na mion a mionové (anti) neutrino , neutrální piony na dvě gama kvanta .

Vlastnosti

Pivoňky všeho druhu:

skládají se z dvojice kvark - antikvark první generace;
mají zápornou paritu a nulový spin (proto jsou tyto částice pseudoskalární );
jsou pseudo - Goldstoneovy bosony ( Nambu - Goldstoneovy bosony se spontánně porušenou symetrií ), takže jsou mnohem lehčí než jiné mezony (např. hmotnost mezonu η je 547,75 MeV / c² ) .

Typy mezonů π podle kvarkového modelu:

Nabito :
- u -kvark a anti- d -kvark tvoříπ + mezon;
- Mezon π − , antičástice mezonu π + , se skládá z d -kvarku a anti- u -kvarku .
Elektricky neutrální kombinace ( u + anti- u ) a ( d + anti- d ) mohou existovat pouze jako jejich superpozice , protože nesou stejnou sadu kvantových čísel . Nejnižší energetický stav takové superpozice je π 0 -mezon, což je jeho vlastní antičástice ( skutečně neutrální částice , jako foton ). Neutrální pion, sestávající z kvarku a jemu odpovídajícího antikvarku (přesněji řečeno ze superpozice takových stavů), je jedním z typů onia $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$ (vázané stavy částice a antičástice). Dalo by se to nazvat quarkonia , ale obvykle se tímto termínem rozumí systémy těžkých kvarků.

Všechny piony se skládají z kvarků a antikvarků první generace, takže nemají žádné příchutě , explicitní i latentní: podivnost S , kouzlo C , kouzlo B′ a pravda T .

Poloměr nabití nabitých pionů je 0,659(4) fm [1] .

Související pionové systémy

Záporně nabitý pion může být zachycen atomovým jádrem na oběžnou dráhu podobnou elektronu a vytvořit s ním krátkodobý exotický atom - tzv. pionový atom .

Dva různě nabité piony mohou tvořit vázaný systém - pionium , exotický atom vázaný hlavně Coulombovou přitažlivostí. Životnost takového systému (cca 3⋅10 −15 s) je mnohem kratší než životnost jednoho nabitého pionu, protože částice a antičástice do něj vstupující se rychle navzájem anihilují, obvykle tvoří dva neutrální piony, z nichž každý pak se rozpadá na dva fotony [2] .

Rozpad mezonu pí

Rozpad neutrálního pionu je způsoben elektromagnetickou interakcí, zatímco nabité piony se rozpadají slabou interakcí, jejíž vazebná konstanta je mnohem menší. Proto se poločasy neutrálních a nabitých pionů výrazně liší.

Nabito

Mezony mají hmotnost 139,57061(24) MeV/ c ² a relativně dlouhou životnost podle jaderných standardů : 2,6033(5)⋅10 −8 sekund [3] . Dominantním kanálem (s pravděpodobností 99,98770(4)%) je rozpadový kanál na mion a mionové neutrino nebo antineutrino : $\pi ^{+},\pi ^{-}$

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

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

Dalším nejpravděpodobnějším kanálem pro rozpad nabitých pionů je radiační (tj. doprovázená gama-kvantovou) variantou výše uvedeného rozpadu ( a ), která se vyskytuje pouze v 0,0200(25) % případů [3] . Dále přichází silně potlačený (0,01230(4)%) rozpad na pozitron a elektronové neutrino ( ) pro kladný pion a na elektron a elektronové antineutrino ( ) pro záporný pion [3] . Důvodem pro potlačení „elektronických“ rozpadů oproti „mionovým“ rozpadům je zachování helicity pro ultrarelativistické částice, které vznikají při „elektronických“ rozpadech: kinetická energie elektronu i neutrina při tomto rozpadu je mnohem větší než jejich hmotností, proto je jejich helicita (s dobrou přesností) zachována a rozpad je potlačen vzhledem k mionovému módu faktorem: $\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }+\gamma$ $\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }+\gamma$ $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }-M_{e}}{M_{\pi }-M_{\ mu }}}\right)^{2}.

Měření tohoto faktoru umožňuje ověřit přítomnost případných malých pravotočivých nečistot v levostranných ( V − A ) nabitých proudech ve slabé interakci.

Stejně jako v případě mionových rozpadů jsou rozpady radiačních elektronů ( a ) ve srovnání s nezářivými silně potlačeny, jejich pravděpodobnost je pouze 7,39(5)⋅10 −5 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma$

Ještě silněji potlačený v pravděpodobnosti (1,036(6)⋅10 −6 %) je rozpad kladného pionu na neutrální pion, pozitronové a elektronové neutrino ( ) a záporného pionu na neutrální pion , elektron a elektronové antineutrino ( ) [3] . Potlačení tohoto rozpadu je vysvětleno zákonem zachování vektorového proudu ve slabé interakci [4] . ${\displaystyle \pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e))$ ${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$

Konečně byl objeven další typ nabitého rozpadu pionů. V tomto případě jsou produkty rozpadu kladného pionu pozitron, elektronové neutrino a elektron-pozitronový pár ( ), zatímco produkty rozpadu záporného pionu jsou elektron, elektronové antineutrino a elektron-pozitronový pár. ( ). Pravděpodobnost takového rozpadu je 3,2(5)⋅10 −7 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+e^{+}+e^{-}$

Neutrální

Neutrální pion má mírně nižší hmotnost (134,9770(5) MeV/c² ) a mnohem kratší životnost než nabité piony: 8,52(18)⋅10 −17 sekund [ 3] . Hlavním z nich (pravděpodobnost 98,823(34) %) je rozpadový kanál na dva fotony [3] : $\pi^0$

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

Každý z těchto fotonů unáší energii 67,49 MeV (pokud byl rozpadlý pion v klidu).

Druhý v pravděpodobnosti (1,174(35)%) je rozpadový kanál na foton a elektron-pozitronový pár [3] :

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

(včetně ojedinělého případu, kdy se pár elektron-pozitron zrodí ve vázaném stavu - ve formě pozitronia ; pravděpodobnost takového výsledku je 1,82(29)⋅10 −7 % [3] ).

Další kanály rozpadu neutrálních pionů z hlediska pravděpodobnosti jsou bezzáření rozpady na dva (pravděpodobnost 3,34(16)⋅10−3 ) %) a jeden (6,46(33)⋅10−6 ) %) páry elektron-pozitron [3] :

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

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

Rozpadové kanály na čtyři fotony (experimentálně omezené na méně než 2⋅10 −6 ) %) a na pár neutrino-antineutrino (méně než 2,7⋅10 −5 ) %) byly předpovězeny, ale dosud nebyly objeveny [3] .

Historie objevů

V teoretické práci Hideki Yukawa v roce 1935 bylo předpovězeno, že existují částice, které nesou silnou sílu , mezony (Yukawa původně navrhoval název mesotron , ale byl opraven Wernerem Heisenbergem , jehož otec učil řečtinu ).

Nabité mezony pí

V roce 1947 byly nabité piony experimentálně objeveny týmem výzkumníků pod vedením Cecila Franka Powella . Vzhledem k tomu, že v té době neexistovaly žádné urychlovače dostatečně výkonné na výrobu pionů, provádělo se pátrání pomocí fotografických desek zvednutých balónem do stratosféry , kde byly vystaveny kosmickému záření (fotografické desky byly instalovány i v horách, např. v astrofyzikální laboratoři na sopce " Chacaltaya " v Andách ). Po sestupu balónu byly na fotografické emulzi nalezeny stopy nabitých částic, mezi nimiž byly mezony. Za své úspěchy byli Yukawa (v roce 1949 ) a Powell (v roce 1950 ) oceněni Nobelovou cenou za fyziku .

Elektricky neutrální mezony pí

Je mnohem obtížnější detekovat neutrální mezon (protože díky své elektrické neutralitě nezanechává stopy ve fotografických emulzích a dalších detektorech stop). Byl identifikován podle produktů rozkladu v roce 1950 . Životnost neutrálních mezonů byla experimentálně stanovena v roce 1963 [5] . $\pi^0$

Silné nosiče síly

Nyní je známo (podle kvantové chromodynamiky ), že silná síla je zprostředkována gluony . Přesto je možné formulovat tzv. efektivní teorii interakce intranukleárních částic ( sigma model ), ve které jsou nositeli jaderných sil interakce piony. Navzdory tomu, že tato teorie (navržená Yukawou) je správná pouze v určitém rozsahu energií, umožňuje v ní zjednodušené výpočty a poskytuje vizuální vysvětlení [6] . Síly vzájemného ovlivňování nesené piony (jako jsou jaderné síly, které vážou nukleony v atomovém jádře ) lze kompaktně popsat pomocí Yukawova potenciálu .

Poznámky

↑ Tanabashi M. a kol. (Skupina údajů o částicích). π ± (anglicky) // Phys. Rev. D. - 2018. - Sv. 98 . — S. 030001 .
↑ Adeva B. a kol. Určení délek rozptylu ππ z měření π + π − π + π − životnosti atomu // Physics Letters B . - 2011. - Sv. 704 , iss. 1-2 . - str. 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. a kol. (Skupina údajů o částicích). Lehké neochucené mezony ( S = C = B = 0) (anglicky) // Phys. Rev. D. - 2018. - Sv. 98 . — S. 030001 .
↑ Yu . _ _ Ruská akademie věd, Ústav fyziky vysokých energií; vyd. L. G. Landsberg. - M .: Nauka, 2006. - S. 51-58. — (Památky národní vědy. XX století). — ISBN 5-02-035321-3 .
↑ Perkins D. Úvod do fyziky vysokých energií. - M .: Mir , 1975. - S. 85-88.
↑ Wentzel G. Úvod do kvantové teorie vlnových polí. - M .: OGIZ Tekhteorizdat, 1947. - S. 92-136.

Literatura

Bethe G. , Hoffman F. Mezony a pole. Svazek II. Mezony. - M., IL , 1957. - 514 s.
Kirillov-Ugryumov V.G. , Nikitin Yu.P., Sergeev F.M. Atomy a mezony. - M., Atomizdat , 1980. - 216 s.

Odkazy

Experimentální vlastnosti Charged Archived 29. března 2020 na Wayback Machine a Neutral Archived 29. března 2020 na Pion Wayback Machine ( webové stránky Particle Data Group ) .
Fyzici přesně měří životnost neutrálního pionu Archivováno 29. května 2021 na Wayback Machine

Částice ve fyzice

základní
částice

Fermiony

Kvarky	u d s C b t
Leptony	e -_ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

bosony

Měřidlo	γ G W ± •Z 0
Skalární	Higgsův boson

Kompozitní
částice

hadrony

Baryony ( hyperony )	Nukleony p p n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarky
mezony ( Quarkonia )	π η • η′ p ω φ J/ψ ϒ θ K B D T tetrakvarky

Sloučeniny základních a (nebo) složených částic

Obyčejný	Atomová jádra deuteron Triton Helion α atomy ionty Kationty anionty molekul
Neobvyklý	Ve fyzice hyperjader : Λ -hypernuclei Hypervodík Hypertriton Σ -hyperjádra Exotické atomy : Mezoatomy Muonic Muonový vodík Hadronová pivoňka Kaonic Antiproton Σ -hyperonic Atomy leptonu pozitronium Muonium Dimuonium protonium Pivoňka mesomolekuly Dipositronium