«Пи-мезоны»

π-мезоны, пионы, группа из трёх нестабильных элементарных частиц — двух заряженных (π⁺ и π^-) и одной нейтральной (π⁰); принадлежат к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и являются среди них наиболее лёгкими. Пионы примерно в 7 раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов, т. е. обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона; в связи с этим они и были названы мезонами (от греч. mésos — средний, промежуточный). Спин пионов равен нулю и, следовательно, они относятся к Бозонам (т. е. подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике (См. Бозе - Эйнштейна статистика)). Пионы являются квантами поля ядерных сил, осуществляющих, в частности, связь нуклонов в атомных ядрах.

Основные свойства пионов и их квантовые числа.Пионы участвуют во всех известных типах взаимодействий элементарных частиц: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Гравитационное взаимодействие пионов крайне мало (как и у других элементарных частиц) и не изучалось. Слабое взаимодействие ответственно за нестабильность заряженных пионов, которые распадаются в основном на мюон (μ) и мюонное нейтрино (ν_μ) или антинейтрино (ν̅_μ): π⁺→μ⁺ +ν_μ, π^- → μ^- + ν̅_μ. π⁰ распадается за счёт электромагнитного взаимодействия преимущественно на два γ-кванта: π⁰ → γ + γ.

Электрический заряд Q пионов в единицах элементарного заряда е равен + 1 у π⁺, —1 у π^- и 0 у π⁰. Внутренняя Чётность пионов отрицательна: Р = -1. (Частицы со спином J = 0 и Р= -1 называются псевдоскалярными.) Барионный зарядВ и СтранностьSпионов равны нулю. π⁺ и π^- являются частицей и античастицей (См. Античастицы) по отношению друг к другу; поэтому их времена жизни τ и массы mодинаковы: τ_π⁺ = τ_π^- = (2,6024 ± 0,0024)․10^-8 сек,(139,5688 ± 0.0064) Мэв/с² —264me, где m_e — масса электрона, с — скорость света. π⁰ тождествен своей античастице (т. е. является абсолютно нейтральной частицей) и имеет положительную зарядовую чётность: С = + 1 (см.Зарядовое сопряжение), время жизни и масса π°:

τ_π⁰ = (0,84 ± 0,10)․10^-16 сек,

=(134,9645 ± 0,0074) Мэв/с² — 273 m_e.

Пионы обладают изотопическим спином I = 1 и, следовательно, образуют изотопический триплет: с тремя возможными «проекциями» изотопического спина I_з=+ 1,0,—1 сопоставляются три зарядовых состояния пионов: π+, π^ο, π^- (см. Изотопическая инвариантность). В схеме классификации адронов пионы совместно с η-мезоном и К-мезонами (К⁺, К^-, К°, Элементарные частицы). Обобщённая зарядовая чётность пионов (G-чётность) отрицательна: G = - 1.

Законы сохранения квантовых чисел налагают определённые запреты на протекание различных реакций с участием пионов. Например, реакция π + π → π + π + π не может протекать за счёт сильного взаимодействия, в котором G-чётность сохраняется, а распад π⁰-мезонов возможен только на чётное число фотонов из-за сохранения зарядовой чётности в электромагнитном взаимодействии (фотон имеет отрицательную зарядовую чётность; С- и G-чётности системы частиц равны произведению соответствующих чётностей входящих в систему частиц).

Пионы сильно взаимодействуют с атомными ядрами, вызывая, в частности, их расщепление (рис. 1, а). Пробег пионов в веществе до ядерного взаимодействия зависит от их энергии и составляет, например, в графите для π^- мезонов около 13 смпри энергии 200 Мэв и около 30 см при энергии 3 Гэв. При энергиях менее 50 Мэвпробег заряженных пионов в веществе определяется в основном потерями энергии на ионизацию атомов, так что, замедляясь, они обычно не успевают до своей остановки провзаимодействовать с ядрами. Так, пробег до остановки в ядерной фотоэмульсии π⁺ или π^- с энергией 15 Мэв равен примерно 4,7 мм. При этом остановившийся π⁺ распадается на положительный мюон и нейтрино (рис. 2), π^- захватывается ближайшим атомом, образуя Мезоатом; последующий ядерный захват π^--мезона происходит с мезоатомных орбит и приводит к расщеплению ядра (рис. 1, б).

π-мезоны в значительной степени определяют состав космических лучей (См. Космические лучи) в пределах земной атмосферы. Являясь основными продуктами ядерных взаимодействий частиц первичного космического излучения (протонов и более тяжёлых ядер) с ядрами атомов атмосферы, пионы входят в состав ядерно-активной компоненты космических лучей; распадаясь, π⁺- и π^--мезоны создают проникающую компоненту космического излучения — мюоны и нейтрино высоких энергий, а π⁰-мезоны — электронно-фотонную компоненту.

История открытия. Гипотеза о существовании пионов как «переносчика» ядерных сил (См. Ядерные силы) была высказана японским физиком Х. Юкава в 1935 для объяснения короткодействующего характера и большой величины ядерных сил. Из неопределённостей соотношения (См. Неопределённостей соотношение)для энергии и времени следовало, что если действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре силы обусловлены обменом квантами поля ядерных сил, то масса этих квантов (позднее они были названы π-мезонами) должна составлять около 300 электронных масс. Частицы приблизительно такой массы были обнаружены в 1936—37 в космических лучах. Однако они не обладали свойствами частиц, предсказанных Юкавой (см.Мюон (См. Мюоны)). Поиски заряженных π-мезонов увенчались успехом лишь в 1947, когда английскими учёными С. Латтесом, Х. Мюирхедом, Дж. Оккиалини и С. Ф.Пауэллом были найдены в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами на большой высоте над поверхностью Земли, треки частиц, свидетельствующие о распаде π⁺ → μ⁺ + ν_μ (см. рис. 2). В лабораторных условиях заряженные пионы были впервые получены в 1948 на ускорителе в Беркли (США). Существование нейтральных пионов вытекало из обнаруженной на опыте зарядовой независимости ядерных сил (взаимодействие между одинаковыми нуклонами — двумя протонами или двумя нейтронами — может осуществляться только обменом нейтральными пионами). Экспериментально π°-мезоны были впервые обнаружены в 1950 по γ-квантам от их распада; π⁰ рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (около 330 Мэв) с ядрами. Обладая массой покоя m_π, пионы требуют для своего образования («рождения») затраты энергии, не меньшей их энергии покоя m_πс². Так, для протекания реакции р + р → р + р + π⁰ необходимо, чтобы кинетическая энергия налетающего протона р превышала пороговую энергию, которая в лабораторной системе координат составляет около 282 Мэв. Пороговая энергия образования пионов на тяжёлых ядрах ниже, чем на протонах, и близка к m_πс².

Источники пионов.Одним из важнейших источников пионов в природе, как уже говорилось, являются космические лучи. Под действием первичной компоненты космических лучей пионы рождаются в верхних слоях атмосферы, но из-за ядерного поглощения и распада до уровня моря доходит лишь их незначительная часть. Исследования космических лучей на высокогорных станциях и с помощью аппаратов, вынесенных в верхние слои атмосферы и космическое пространство, дают важные сведения о пионах и их взаимодействиях. Однако количественное изучение свойств пионов выполняется преимущественно на пучках частиц высокой энергии, получаемых на ускорителях протонов и электронов. На ускорителях были установлены квантовые числа пионов, произведены точные измерения масс, времён жизни, редких способов распада, детально изучены реакции, вызываемые пионами. Современные ускорители создают пучки пионов высокой энергии (десятки Гэв) с потоками Пи-мезоны 10⁷ пионов в 1 сек, а так называемые «мезонные фабрики» (сильноточные ускорители на энергии Пи-мезоны 1 Гэв) должны давать потоки до 10¹⁰ пионов в 1 сек. Пучки быстрых заряженных пионов, которые проходят до распада десятки и сотни м, обычно транспортируются к месту изучения их свойств и взаимодействий по специальным вакуумным каналам. На рис. 3 изображена схема установки для получения и исследования π^--мезонов.

Пучки получаемых на ускорителях π^- -мезонов начинают применять в лучевой терапии (См. Лучевая терапия). Продукты распада пионов (мюоны, нейтрино, фотоны, электроны и позитроны) используются для изучения слабых и электромагнитных взаимодействий.

Взаимодействия пионов.Наиболее специфичным для π-мезонов является сильное взаимодействие, которое характеризуется максимальной симметрией (выполнением наибольшего числа законов сохранения), малым радиусом действия сил (≤ 10^-13 см) и большой константой взаимодействия (g). Так, безразмерная константа, характеризующая связь пионов с нуклонами, g²/ħc — 14,6 в тысячи раз превышает безразмерную константу электромагнитного взаимодействия

α = e²/ħc —¹/₁₃₇

(здесь ħ — постоянная Планка).

К процессам сильного взаимодействия пионов относятся рассеяние пионов нуклонами, рождение пионов в столкновениях адронов, аннигиляция антинуклонов и нуклонов с образованием пионов, рождение пионами так называемых странных частиц (См. Странные частицы)—К-мезонов и гиперонов и др. Неупругие взаимодействия адронов при высоких энергиях (>10⁹ эв) обусловлены преимущественно процессами множественного рождения пионов (см. Множественные процессы).В области меньших энергий (10⁸—10⁹эв)при взаимодействии пионов с др. мезонами и барионами наблюдается образование квазисвязанных систем — возбуждённых состояний мезонов и барионов (так называемых Резонансов) с временем жизни 10^-22 — 10^-23 сек. Эти состояния могут проявляться, например, в виде максимумов в энергетической зависимости полных сечений реакций (рис. 4).

Пионы, как и все адроны, испускают и поглощают виртуальные сильно взаимодействующие частицы (или пары частиц-античастиц). Радиус создаваемого таким образом облака виртуальных адронов, окружающего заряженные пионы, составляет примерно 0,7․10 ^-13см.

Среди электромагнитных взаимодействий пионов наиболее полно изучены процессы рождения π-мезонов фотонами и электронами. Специфической чертой электромагнитных процессов с участием пионовявляется определяющая роль сильных взаимодействий. Так, характерный максимум в зависимости полного сечения процесса е⁺ + е^- → π⁺+ π^- + π° от энергии (рис. 5) обусловлен резонансным взаимодействием в системе трёх пионов (максимум соответствует энергии покоя ω-мезона, который распадается на 3π). Хорошо изученное электромагнитное поле служит эффективным инструментом для исследования природы π-мезонов.

Слабое взаимодействие играет важную роль в физике π-мезонов, обусловливая нестабильность заряженных пионов, а также распады странных частиц на пионы. Изучение распадов π →μ +ν, К → π + π, К → π + π + π привело к важнейшим открытиям физики. Было установлено следующее: образующееся в результате π— μ^- -распада нейтрино (ν_μ) отличается от нейтрино (ν_e), возникающего при Бета-распаде атомных ядер (см. Нейтрино), в слабом взаимодействии не сохраняется пространственная чётность (Р); в распадах на пионы так называемых долгоживущих нейтральных К-мезонов (Комбинированная инверсия).

Роль пионов в физике ядра и элементарных частиц. Исследование процессов взаимодействия пионов с элементарными частицами и атомными ядрами существенно для выяснения природы элементарных частиц и определения структуры ядер.

В облаке виртуальных адронов, окружающем каждую сильно взаимодействующую частицу, наиболее удалённую область занимают пионы (так как они имеют наименьшую массу). Поэтому пионы определяют периферическую часть сильных взаимодействий элементарных частиц, в частности наиболее важную для теории ядра периферическую часть ядерных сил. На малых же расстояниях между адронами ядерные силы обусловлены преимущественно обменом пионными резонансами.

Электромагнитные свойства адронов — их аномальный магнитный момент, поляризуемость, пространственное распределение электрического заряда адронов и т.д.— определяются в основном облаком пионов, виртуально испускаемых и поглощаемых адронами. Здесь также играют важную роль резонансные взаимодействия пионов (см. Электромагнитные взаимодействия).

Наконец, влияние сильного взаимодействия на слабое также в значительной степени определяется π-мезонным полем.

Существующие представления о природе π-мезонов носят предварительный, модельный характер. Принято считать, что масса пионов обусловлена сильным взаимодействием, а различие масс заряженных и нейтральных пионов — электромагнитным. Большое эвристическое значение имела гипотеза Э. Ферма (См. Ферми) и Ян Чжэнь-нина (1949) о том, что пион представляет собой сильно связанную систему (с энергией связи Пи-мезоны 1740 Мэв) из нуклона и антинуклона. Согласно модели кварков (См. Кварки), пионы являются связанными состояниями кварка и антикварка. Однако последовательная теория, описывающая π-мезонное поле и его взаимодействия с другими полями, отсутствует. Таким образом, ещё нет ясности в сложных вопросах природы и взаимодействия π-мезонов.

Изучение свойств π-мезонов и процессов с их участием интенсивно ведётся в крупнейших лабораториях мира.

Лит.: Газиорович С., Физика элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Маршак Р. Е., Пионы, в кн.: Элементарные частицы, в. 2, М., 1963, с. 32—39; Орир Дж., Популярная физика, пер. с англ., М., 1969; Пауэлл С., Фаулер П., Перкинс Д., Исследование элементарных частиц фотографическим методом, пер. с англ., М., 1962.

А. И. Лебедев.

Рис. 1. Расщепление ядер фотоэмульсии: а—заряженным пионом с энергией 3,8 Гэв; б—остановившимся π-мезоном.

Рис. 2. Фотография одного из первых зарегистрированных в ядерной фотоэмульсии случаев распада π⁺→μ⁺+ν_μ.

Рис. 3. Схема типичной установки для изучения взаимодействия π^--мезонов с протонами. Ускоренные до энергии 660 Мэв протоны попадают на расположенную внутри ускорительной камеры мишень 1 из Be. Образующиеся π^-- выводятся из камеры ускорителя через специальное окно 2 и после прохождения через коллиматор 3, отклоняющее магнитное поле (магнит 4) и счетчики потока пионов 5 направляются на жидководородную мишень 6. Продукты взаимодействия π^-- с ядрами водорода регистрируются 7 (а — счётчики, б — поглотители).

Рис. 4. Зависимость полных сечений σ взаимодействия π⁺- и π^--мезонов с протонами (p) от полной суммарной энергии сталкивающихся частиц в системе центра масс (Е_{ц .м.}).

Рис. 5. Зависимость полного сечения σ процесса е⁺ + е^- → π⁺ + π^- + π° от суммарной энергии (2 Е) встречных пучков электронов (е^-) и позитронов (е⁺).

ПИ-МЕЗОНЫ (пионы - ?), группа из трех нестабильных адронов с нулевым спином и массой ок. 270 электронных масс (наименьшей для адронов); состоит из двух заряженных (?-, ?+) и одного нейтрального (? .) Пи- мезона.

ПИ-МЕЗОНЫ

(p-мезоны, пионы), группа из трёх нестабильных бесспиновых элем. ч-ц — двух заряженных (p+ и p-) и одной нейтральной (p°), 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): т±»140 МэВ, тp° »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 p± ®m±+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 p° 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+, p°, p-. G-чётность пионов отрицательна: G=-1.

Законы сохранения квант. чисел определяют возможность и интенсивность протекания разл. реакций с участием пионов. Напр., распад p°-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 h®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 p- захватывается 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+®m++vm® 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+®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 p° были обнаружены в 1950 по g-квантам от их распада p° ®g+g; p° 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/ћc»14,6, на три порядка превышает безразмерную константу эл.-магн. вз-ствия a=e2/ћc »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 p- с 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-®p++p-+p° от энергии (рис. 4) обусловлен тем, что эта реакция идёт через превращение пары е+е- в 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-®g* ®w ®p++p-+p° (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-®p++p-+p° 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 p®m+vm, К®p+p, К ®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.

пи-мезо́ны

(пионы, π), группа из трёх нестабильных адронов с нулевым спином и массой около 270 электронных масс (наименьшей для адронов); состоит из двух заряженных (π-, π+) и одного нейтрального (π⁰) пи-мезонов.

* * *

ПИ-МЕЗО́НЫ (пионы, p), группа из трех нестабильных адронов(см. АДРОНЫ) с нулевым спином и массой ок. 270 электронных масс (наименьшей для адронов); состоит из двух заряженных (p^-, p⁺) и одного нейтрального (p °) Пи- мезона.

я-мезоны, пионы, - три нестабильные элементарные частицы из группы мезонов с массами ок. 270 те (m_е - масса электрона). Два Пи-м. (ПИ⁺ и ПИ^-) обладают соответственно положит. и отрицат. элементарным электрическим зарядом, а третий (ПИ°) электрически нейтрален. Спин Пи-м. равен нулю. Пи-м. ПИ⁺ и ПИ^- являются античастицами друг для друга, а ПИ° тождествен своей античастице.

(пионы, тс), группа из трёх нестабильных адронов с нулевым спином и массой ок. 270 электронных масс (наименьшей для адронов); состоит из двух заряженных (ПИ^-, ПИ⁺) и одного нейтрального (ПИ°) П.-м.