Відкрити головне меню

Не плутати з Півонія.

'''''
Quark structure pion.svg
Кваркова структура піона
Група: мезони
взаємодії: сильна
Передбачена: Юкава Хідекі
Відкрита: Сесіл Пауел, Сезар Латтес та Джузеппе Окк'яліні (1947)
Символ: π+, π0, π-
Число типів: 3
Маса: π+, π- : 139.57018(35) МеВ
π0: 134.9766(6) МеВ

Піони або пі-мезони - елементарні частинки, які належать до родини мезонів. Існує нейтральний π0 і заряджені піони π+ та π-. Усі піони нестабільні.

Піони мають нульовий спін і одиничний ізотопічний спін. Вони складаються з кварків та антикварків першого покоління.

π- мезон є античастинкою π+ мезона. π0 мезон є власною античастинкою. Разом усі три піони складають ізотопічний триплет.

Зв'язок із кварками та канали розпадуРедагувати

Маррі Гелл-Ман показав, що піони, разом із ета-мезоном і каонами, утворюють октет групи   (незвідне представлення  ). Він утворюється як прямий добуток фундаментальних представлень групи  ,  , кожне із яких відповідає кваркам  . Точніше кажучи, піони складаються із двох кварків,  , та їх антикварків.

При низьких енергіях, коли КХД стає непертурбативною, кварки не можуть бути вільними. Вони об'єднуються у мезони і нуклони. Лагранжіан КХД ефективно можна переписати у термінах нуклонів та мезонів. У такому ефективному лагранжіані переносниками ядерних сил стають мезони. Закон взаємодії між нуклонами можна описати за допомогою юкавської взаємодії,  , де   - довжина екранування. Із таким законом взаємодії пов'язане явище насичення ядерних сил.

Час життя π0-мезону значно менший, ніж час життя заряджених піонів. Це пов'язано із структурою взаємодій у Стандартній моделі. Кварковий склад π0 дозволяє йому розпадатись на фотони, у той час як кварковий склад заряджених піонів робить можливим розпад лише через  -бозон.

Розпад через  -бозон сильно пригнічений через його велику масу (а не через константу слабкої взаємодії, яка значно більша за електромагнітну константу,  ). У результаті час життя заряджених піонів дуже великий (див. таблицю характеристик) і лише на два порядки більший за час життя мюонів (які не є сильно взаємодіючими частинками).

У випадку із нейтральним піоном наближена  -симетрія (точніше, її незаряджена підгрупа  , що відповідає перетворенням  ,  ), яка пов'язана із малістю мас  -кварків (з їхніх зарядово нейтральних комбінацій складається π0), здавалося б, повинна сильно пригнічувати амплітуду розпаду на два фотони. Проте експериментально було виявлено, що оцінка амплітуди розпаду  , що базується на вірності наближеної  -симетрії, дає значно більший час життя піону, ніж він є насправді. Вихід із цієї ситуації знайшли разом із відкриттям наявності у Стандартній моделі кіральних аномалій, які явно порушують вказану симетрію і передбачають амплітуду розпаду піону, що узгоджується із експериментальною. У результаті час життя нейтральних піонів значно менший за час життя  .

Властивості піонів
Назва Частинка
символ
Анти-
частинка
символ
Складові
кварки[1]
Маса спокою (МеВ/c2) IG JPC S C B' Час життя (с) Канали розпаду

(>5% розпадів)

Піон[2] π+ π ud 139.570 18(35) 1 0 0 0 0 2.6033 ± 0.0005 × 10−8 μ+ + νμ
Піон[3] π0 власна  [a] 134.976 6 ± 0.000 6 1 0−+ 0 0 0 8.4 ± 0.6 × 10−17 γ + γ

[a]   Склад не точний, через ненульові маси кварків[4].

Пі-мезон як псевдоголдстоунівський бозонРедагувати

З точки зору КХД лагранжіан  кварків має наближену симетрію відносно перетворень групи  . Наявність симетрії пов'язана із їхніми малими масами. Ця симетрія, втім, є спонтанно порушеною (інакше для кожного одночастинкового стану існував би вироджений із ним стан із протилежною парністю і тими ж спіном, баріонним числом та дивністю).

Стівеном Вайнбергом, Джеффрі Голдстоуном та Абдусом Саламом була доведена теорема, згідно із якою спонтанне порушення глобальної неперервної симетрії у теорії призводить до появи у спектрі частинок-розв'язків теорії безмасових бозонів спіну нуль із тими же квантовими числами, які має елемент струму, що відповідає порушеній симетрії, — так званих голдстоунівських бозонів. Їх кількість відповідає кількості генераторів порушеної групи симетрії. Якщо ж спонтанно порушена симетрія теорії порушена малим доданком у дії, іншими словами — є наближеною, то бозони набувають маси. В такому разі вони називаються псевдоголдстоунівськими бозонами.

Безмасовий лагранжіан  кварків (для простоти запису, що не зменшує коректність — без взаємодії),

 ,

має симетрію відносно перетворень групи  , що відповідає комбінованому кіральному перетворенню

 .

Врахувавши масовий доданок у лагранжіані, можна дійти висновку, що ця симетрія (точніше, її кіральна підгрупа) явно порушена. Маси цих кварків, втім, є малими, тому на високих енергіях масовим доданком можна знехтувати; в результаті на високих енергіях симетрія відновлюється. Тому, як написано вище, експериментально повинно було спостерігатися дублювання по кількості станів, чого немає. У результаті природнім є твердження, що ця група симетрії (її кіральна підгрупа) спонтанно порушена до  . Відповідно, в теорії з'являються псевдоголдстоунівські бозони. Згідно із теоремою про голдстоунівські бозони, їхня кількість дорівнює кількості генераторів порушеної групи симетрії — трьом. Теорія також передбачає, що маси заряджених піонів однакові і відрізняються на маленьку поправку від маси нейтрального бозона. Ці бозони і є піонами.

Аналогічним чином можна розглянути лагранжіан  кварків. У дуже грубому наближенні лагранжіан має  -симетрію (при досить високих енергіях, втім, ця симетрія стає дедалі більш точною). Її спонтанне порушення до  -симетрії призводить до появи восьми (а саме такою є кількість генераторів порушеної групи  ) псевдоголдстоунівських бозонів — квартету каонів, ета-мезону та триплету піонів.

ПриміткиРедагувати

  1. C. Amsler et al.. (2008): Quark Model
  2. C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π±
  3. C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π0
  4. Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.