Физическая энциклопедия - пи-мезоны

(p-мезоны, пионы), группа из трёх нестабильных бесспиновых элем. ч-ц двух заряженных (p+ и p-) и одной нейтральной (pВ°), относящихся к классу адронов и являющихся среди них наиболее лёгкими. Масса пионов промежуточная между массами протона и эл-на, в связи с этим они и были названы «мезонами» (от греч. mesos средний, промежуточный): тВ±»140 МэВ, тpВ° »135 МэВ. Согласно совр. представлениям, пион состоит из кварка (u, d) и антикварка (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ). Пионы участвуют во всех фундаментальных вз-ствиях. Слабое вз-ствие ответственно, в частности, за нестабильность заряж. пионов, к-рые распадаются в основном (на 99,97%) по схеме pВ± В®mВ±+vm (v=m) за время 2,6X10-8с. Нейтральные пионы распадаются в результате эл.-магн. вз-ствия преим. на два g-кванта (98,85%) и имеют время жизни 0,83•10-16 с. Наиб. характерно для пионов участие в процессах сильного взаимодействия. Т. к. спин пионов J=0, они подчиняются Бозе Эйнштейна статистике. Их внутр. чётность отрицательна: Р=-1. Ч-цы с такими хар-ками (J=0, Р=-1) наз. псевдоскалярными. Барионный заряд и странность пионов равны нулю. p+ и p-явл. ч-цей и античастицей по отношению друг к другу, а pВ° тождествен своей античастице (т. е. явл. истинно нейтральной частицей) и имеет положит. зарядовую чётность: С=+1. Изотопический спин пионов I=1, и они образуют изотопич. триплет: трем возможным «проекциям» пзотопич. спина I3 =+1, 0, -1 соответствуют три зарядовых состояния пионов: p+, pВ°, p-. G-чётность пионов отрицательна: G=-1.

Законы сохранения квант. чисел определяют возможность и интенсивность протекания разл. реакций с участием пионов. Напр., распад pВ°-мезонов возможен только на чётное число фотонов из-за сохранения зарядовой чётности в эл.-магн. вз-ствии (для фотона С=-1). Хотя h-мезон и p-мезоны сильно взаимодействуют друг с другом, процесс hВ®3p не может протекать за счёт сильного вз-ствия, сохраняющего G-чётность (к-рая для h-мезона положительна, а для системы из 3p отрицательна); этот процесс идёт за счёт эл.

-магн. вз-ствия. Пионы сильно взаимодействуют с ядрами, вызывая, как правило, их расщепление (рис. 1, а). Заряж. пионы с энергией неск. МэВ и ниже при движении в в-ве тратят свою энергию в осн. на ионизацию атомов и обычно не успевают до своей остановки провзаимодействовать с ядрами. Рис. 1. Расщепление ядра одного из элементов, входящих в состав фотоэмульсии, заряженным пионом с энергией 3,8 ГэВ (a) и остановившимся p-мезоном (б) с образованием т.

н. звёзд. При этом остановившийся pзахватывается на «орбиту» мезоатома, затем поглощается ядром и расщепляет его (рис. 1,6), а p+ распадается на положит. мюон и нейтрино (рис. 2). p-мезоны в значит. степени определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы. Рис. 2. Фотография треков, образованных в яд.

фотоэмульсии заряж. частицами при распаде p+В®m++vmВ® е++ve+vm. Существование пионов было постулировано япон. физиком X. Юкавой в 1935 для объяснения короткодействующего хар-ра и большой величины ядерных сил. Экспериментально заряж. пионы открыты в 1947 по их распаду p+В®m++vm, зарегистрированному в яд. фотоэмульсиях, облучённых косм. лучами.

В лаб. условиях заряж. пионы были впервые получены в 1948 на ускорителе в Беркли (США). Существование нейтральных пионов следовало из обнаруженной на опыте зарядовой независимости яд. сил. Экспериментально pВ° были обнаружены в 1950 по g-квантам от их распада pВ° В®g+g; pВ° рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (=300 МэВ) с ядрами.

Количеств. изучение св-в пионов и их вз-ствий выполняется преим. на пучках ч-ц высокой энергии, получаемых на ускорителях. Совр. протонные ускорители дают пучки пионов (образованных в результате вз-ствия ускоренных протонов с ядрами мишени) с потоком до 1010 пионов в 1 с. Наиб. специфичное для p-мезонов сильное вз-ствие характеризуется макс.

симметрией, малым радиусом действия сил и большой константой связи (g). Так, безразмерная константа, характеризующая связь пионов с нуклонами, g2/С›c»14,6, на три порядка превышает безразмерную константу эл.-магн. вз-ствия a=e2/С›c »1/137. К процессам сильного вз-ствия пионов относятся их рассеяние нуклонами и ядрами, рождение пионов в столкновениях адронов, аннигиляция антинуклонов и нуклонов с образованием пионов, рождение пионами К-мезонов и гиперонов и др.

Неупругие вз-ствия адронов при высоких энергиях (? 10 ГэВ) обусловлены преим. процессами множеств. рождения пионов (см. МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ). В области меньших энергий (0,1-1 ГэВ) при вз-ствии пионов с др. мезонами и барионами наблюдается образование резонансов, к-рые могут проявляться, напр., в виде максимумов в энергетич. зависимости полных сечений реакций (рис.

3). Рис. 3. Зависимость полных сечений s вз-ствия p+ и pс протонами от полной энергии ?с.ц.и сталкивающихся ч-ц в системе центра инерции. В результате сильного вз-ствия пионы испускают и поглощают виртуальные адроны. Радиус создаваемого т. о. облака виртуальных адронов, окружающего заряж. пионы, составляет прибл. (0,6-0,7) •10-13 см. Среди эл.-магн. вз-ствий пионов наиб. полно изучены процессы рожде-ния пионов фотонами и эл-нами. Специфич. чертой эл.-магн. процессов с участием пионов явл. определяющая роль сильного вз-ствия. Так, характерный максимум в зависимости полного сечения процесса e++e-В®p++p-+pВ° от энергии (рис. 4) обусловлен тем, что эта реакция идёт через превращение пары е+ев виртуальный фотон (g*), к-рый при энергиях вблизи максимума сечения переходит в w-мезон, распадающийся за счёт сильного вз-ствия на три пиона: е++е-В®g* В®w В®p++p-+pВ° (в системе центра инерции сталкивающихся ч-ц максимум отвечает энергии покоя w-мезона). Хорошо изученные эл.-магн. вз-ствия служат эфф. инструментом для исследования пионов, в частности позволяют измерить их формфактор. Рис. 4. Зависимость полного сечения о процесса е++е-В®p++p-+pВ° от суммарной энергии эл-на и позитрона (2?) во встречных пучках; максимум соответствует энергии w-резонанса в системе трёх пионов. Слабое вз-ствие обусловливает нестабильность заряж. пионов, а также распады странных частиц на пионы.

Изучение распадов pВ®m+vm , КВ®p+p, К В®p+p+p привело к ряду открытий. Было установлено существование двух типов нейтрино электронного и мюонного, нарушение сохранения пространств. чётности в распадах, происходящих за счёт слабого вз-ствия, нарушение сохранения комбиниров. чётности (см. КОМБИНИРОВАННАЯ ИНВЕРСИЯ, К-МЕЗОНЫ). Исследование процессов вз-ствия пионов с ч-цами и ядрами существенно для выяснения природы элем.

ч-ц и определения структуры ядер. Пионы определяют периферич. часть сильного вз-ствия, в частности яд. сил. На малых расстояниях между нуклонами яд. силы обусловлены преим. обменом пионными резонансами. Эл.-магн. св-ва адронов: аномальные магн. моменты, поляризуемость, пространств.

распределение электрич. заряда адронов и т. д.обусловлены облаком пионов, виртуально испускаемых и поглощаемых адронами. И здесь резонансные вз-ствия пионов играют важную роль. Одинаковость квант. чисел фотона и векторных пионных резонансов (r, w, j и др.) легла в основу модели векторной доминантности, согласно к-рой фотон взаимодействует с адроном, предварительно превратившись в векторный мезон.

Влияние сильного вз-ствия на слабое вз-ствие адронов также в значит. степени определяется p-мезонным полем. Пучки получаемых на ускорителях пионов начинают применять в лучевой терапии. .