Пион

Пион (π + )
классификация
Бозон- адрон- мезон
характеристики
электрический заряд	1  е (+1.602 10 −19  С )
Энергия отдыха	139, 57039 (18)  МэВ
Спиновый паритет	0 -
Изоспин	1 (компонент z +1)
Средняя продолжительность жизни	2,6033 (5) · 10 −8  с
Кварковый состав	ты д

Пионы или мезоны (ранее также известные как частицы Юкавы , как предсказал Хидеки Юкава ) - самые легкие мезоны . Согласно стандартной модели в физике элементарных частиц, они содержат два валентных кварк и не поэтому , как правило , больше не рассматриваются как элементарные частицы сегодня. Как и все мезоны, они бозоны , поэтому у них есть интегральный спин . Их соотношение отрицательное. ${\ displaystyle \ pi}$

Есть нейтральный пион и два заряженных пиона: и его античастица . Все три нестабильны и распадаются из-за слабого или электромагнитного взаимодействия . ${\ displaystyle \ pi ^ {0}}$${\ displaystyle \ pi ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$

строительство

Это комбинация восходящего кварка и анти-нижнего кварка (антикварки обозначены верхней чертой): ${\ displaystyle \ pi ^ {+}}$${\ displaystyle u}$${\ displaystyle {\ bar {d}}}$

${\ Displaystyle | \ pi ^ {+} \ rangle = | и {\ бар {d}} \ rangle}$,

его античастица представляет собой комбинацию нижнего кварка и анти-верхнего кварка : ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle {\ bar {u}}}$

${\ displaystyle | \ pi ^ {-} \ rangle = | d {\ bar {u}} \ rangle}$.

Оба имеют массу 139,6 МэВ / c². Текущее genauesten измерения его массы на основе рентгеновских переходов в экзотических атомах , которые принимают электрон один обладает. Срок службы составляет 2,6 · 10 ^-8  с. ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$${\ displaystyle \ pi ^ {\ pm}}$

Это является квантово - механическое наложение - и - сочетание, я. ЧАС. два кваркония . Применимо следующее: ${\ displaystyle \ pi ^ {0}}$${\ displaystyle u {\ bar {u}}}$${\ displaystyle d {\ bar {d}}}$

${\ displaystyle | \ pi ^ {0} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ Big [} | u {\ bar {u}} \ rangle - | d {\ bar { d}} \ rangle {\ Big]}}$

в то время как ортогональное состояние ,, является смешанной с тех ETA-мезонов . ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ Big [} | u {\ bar {u}} \ rangle + | d {\ bar {d}} \ rangle {\ Big]} }$${\ displaystyle | s {\ bar {s}} \ rangle}$

При 135,0 МэВ / c² его масса лишь немного меньше массы заряженных пионов. Поскольку он распадается из-за гораздо более сильного электромагнитного взаимодействия, его срок службы 8,5 · 10 ⁻¹⁷  с примерно на 10 порядков меньше.

Благодаря свободно выбираемой фазе, три волновые функции также могут быть записаны в редко используемой форме , и . Тогда это соответствует Конвенции Кондона-Шортли.${\ Displaystyle | \ pi ^ {+} \ rangle = | и {\ бар {d}} \ rangle}$${\ displaystyle | \ pi ^ {-} \ rangle = - | {\ bar {u}} d \ rangle}$${\ displaystyle | \ pi ^ {0} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ Big [} | d {\ bar {d}} \ rangle - | u {\ bar { u}} \ rangle {\ Big]}}$

Распада

Различное время жизни связано с разными каналами распада :

99,98770 (4)% заряженных пионов распадаются на мюон и мюонное нейтрино за счет слабого взаимодействия :

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

${\ displaystyle \, \ pi ^ {-} \ to \ mu ^ {-} + {\ overline {\ nu}} _ {\ mu}}$

На самом деле энергетически более выгодный распад на электрон и связанное с ним электронное нейтрино сильно подавляется по причинам спиральности (см .: спиральность # распад пиона ) .

Напротив, распад нейтрального пиона происходит за счет более сильного и, следовательно, более быстрого электромагнитного взаимодействия. Конечными продуктами здесь обычно являются два фотона. ${\ displaystyle \ gamma}$

${\ displaystyle \ pi ^ {0} \ to 2 \ gamma}$

с вероятностью 98,823 (32)% или один позитрон e ⁺ , один электрон e ^- и один фотон

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

с вероятностью 1,174 (35)%.

Из-за его короткого времени жизни 8,5 · 10 ⁻¹⁷  с нейтральный пион обнаруживается в экспериментах путем наблюдения двух фотонов распада в совпадении .

История исследований

Хидэки Юкава (1949)

Пион был предсказан как обменная частица ядерной энергии Хидеки Юкавой в Японии еще в 1934/35 году , получившим за это Нобелевскую премию в 1949 году. Первый «мезон», первоначально ошибочно принятый за частицу Юкавы, а затем названный мюоном , был обнаружен Карлом Д. Андерсоном и Сетом Неддермейером в космическом излучении в 1936 году («мезон» - это название любой заряженной частицы тяжелее электрона. , но легче протона ). Отграничение от пиона возникло только в 1940-х годах (впервые постулировано Ю. Таникавой и Шоичи Саката в Японии в 1942 году). Сесил Пауэлл , Джузеппе Оккиалини и Сезар Латтес из Физической лаборатории Х. Х. Уиллса в Бристоле обнаружили пионы в космическом излучении в дополнение к мюонам и исследовали их свойства. За это Пауэлл получил Нобелевскую премию по физике в 1950 году. Это было, однако, как только позже стало известно в 1947 году ранее что - то о Donald H. Perkins обнаружил в космических лучах. В 1948 году пионы впервые были искусственно обнаружены в ускорителях (Lattes). ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$

Сравнение масс с нуклонами

При сравнении масс пионов, каждый из которых состоит из двух кварков (мезонов), с массами протона и нейтрона ( нуклонов ), каждый из которых состоит из трех кварков ( барионов ), можно заметить, что протон и нейтрон каждый намного тяжелее пионов более чем на 50%; масса протона почти в семь раз больше массы пиона. Масса протона или нейтрона получается не простым сложением масс их трех текущих кварков, но также наличием глюонов, ответственных за связывание кварков и так называемых морских кварков . Эти виртуальные кварк-антикварковые пары возникают и исчезают в нуклоне в рамках соотношения неопределенностей Гейзенберга и вносят вклад в наблюдаемую массу составляющего кварка .

Теорема Голдстоуна дает объяснение гораздо меньшей массы : пионы являются квазиголдстоуновскими бозонами спонтанно (и, более того, явно) нарушенной киральной симметрии в квантовой хромодинамике .

Модель обмена пионами

Пионы могут взять на себя роли обменных частиц в качестве эффективной теории в сильном взаимодействии ( сигма модели ), которая описывает связывание нуклонов в атомном ядре . (Это аналогично силам Ван-дер-Ваальса , которые действуют между нейтральными молекулами, но сами по себе не являются элементарной силой; они основаны на электромагнитном взаимодействии .)

Эта теория, впервые предложенная Хидеки Юкавой и Эрнстом Штюкельбергом , верна только в ограниченном диапазоне энергий, но позволяет более простые вычисления и более ясные представления. Например, ядерные силы, опосредованные пионами, могут быть представлены в компактной форме с помощью потенциала Юкавы : этот потенциал имеет отталкивающий характер на малых расстояниях (в основном через ω-мезоны ), на средних расстояниях он имеет сильно притягивающий эффект (из-за на 2-мезонный обмен, аналогичный 2-фотонному обмену сил Ван-дер-Ваальса), а на больших расстояниях проявляет экспоненциально затухающий характер (обмен отдельными мезонами).

Диапазон

В этой модели обмена конечный диапазон взаимодействия между нуклонами следует из ненулевой массы пионов. Максимальную дальность взаимодействия можно оценить через ${\ displaystyle r_ {0}}$

• отношения ,${\ displaystyle r_ {0} = c \ cdot t}$
• энергии время соотношение неопределенностей ,${\ displaystyle \ Delta t \ Delta E \ geq {\ frac {\ hbar} {2}} \ quad \ Leftrightarrow \ quad \ Delta t \ geq {\ frac {\ hbar} {2 \ Delta E}} \ quad \ left (\ Rightarrow r_ {0} = c \ cdot {\ frac {\ hbar} {2E}} \ right)}$
• Эквивалентность энергии и массы Эйнштейна :${\ Displaystyle E = mc ^ {2} \ quad \ Leftrightarrow \ quad {\ frac {c} {E}} = {\ frac {1} {mc}}}$

${\ displaystyle r_ {0} = {\ frac {\ hbar} {2mc}}}$

Она имеет порядок величины комптоновской длины волны обменной частицы. В случае пионов получаются значения в несколько единиц Ферми (10 ^-15  м). Этот короткий диапазон по сравнению с размером ядра отражается в постоянной энергии связи на нуклон, которая, в свою очередь, составляет основу модели капли .

Образец процесса

Обмен виртуальным пионом между протоном и нейтроном

Обмен заряженным пионом между протоном и нейтроном будет описан в качестве примера:

1. U-кварк растворяется из протона.
2. Из-за ограничения не могут существовать свободные кварки. Таким образом, образуется d- d пара.
3. D-кварк остается в бывшем протоне и превращает его в нейтрон. U-кварк и d -кварк образуют свободный π ⁺ -мезон.
4. Этот мезон встречает нейтрон. D-кварк нейтрона аннигилирует с d- кварком π ⁺ -мезона.
5. Восстанавливается исходная ситуация, остаются один протон и один нейтрон.

литература

• WM Yao и др.: Обзор физики элементарных частиц. В: Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 33, 2006, стр 1-1232,. Дои : 10,1088 / 0954-3899 / 33/1/001 .
• Дж. Стейнбергер, В. Панофски, Дж. Стеллер: свидетельства образования нейтральных мезонов фотонами. В: Физическое обозрение. . 78, 1950, стр 802-805, DOI : 10,1103 / PhysRev . 78,802 . (Доказательство нейтрального пиона).

Смотри тоже

• Список мезонов

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{a b} Информация о свойствах частиц (информационное окно) взята из: PAZyla et al. ( Группа данных по частицам ): Обзор физики элементарных частиц 2020 г. В: ProgTheor.Exp.Phys.2020,083C01 (2020). Частица группы данных, доступ к 26 июля 2020 . 
2. ↑ Д. Перкинс: Физика высоких энергий. Аддисон-Уэсли, 1991.
3. ^ Юкава: О взаимодействии элементарных частиц I. В: Труды Физико-математического общества Японии. 3-я серия, том 17, 1935 г., стр. 48-57.
4. ^ CMG Lattes, H. Muirhead, GPS Occhialini, CF Powell: Процессы с участием заряженных мезонов. В кн . : Природа. 159 (1947) 694-697.
5. ↑ CMG Lattes, GPS Occhialini, CF Powell: Определение отношения масс пи-мезона и мю-мезона методом подсчета зерен. В кн . : Труды физического общества. 61 (1948), с. 173–183.