Пи-мезоны

Пи-мезоны, p-мезоны, пионы, группа из трёх нестабильных элементарных частиц — двух заряженных (p⁺ и p^-) и одной нейтральной (p⁰); 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.(греческий) mésos — средний, промежуточный). Спин пионов равен нулю и, следовательно, они относятся к бозонам (т. е. подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике). 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 (m) и мюонное нейтрино (n_m) или антинейтрино (): p⁺ ® m⁺ + n_m, p^- ® m^- + . p⁰ распадается за счёт электромагнитного взаимодействия преимущественно на два g-кванта: p⁰ ® g + g.

  Электрический заряд Q пионов в единицах элементарного заряда е равен + 1 у p⁺, —1 у p^- и 0 у p⁰. Внутренняя чётность пионов отрицательна: Р = - 1. (Частицы со спином J = 0 и Р= -1 называются псевдоскалярными.) Барионный заряд В и странность S пионов равны нулю. p⁺ и p^- являются частицей и античастицей по отношению друг к другу; поэтому их времена жизни t и массы m одинаковы: t_p⁺ = t_p^- = (2,6024 ± 0,0024)×10^-8 сек,  = (139,5688 ± 0.0064) Мэв/с² » 264me, где m_e — масса электрона, с — скорость света. p⁰ тождествен своей античастице (т. е. является абсолютно нейтральной частицей) и имеет положительную зарядовую чётность: С = + 1 (см. Зарядовое сопряжение), время жизни и масса p°:

  t_p⁰ = (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: p+, p^o, p^- (см. Изотопическая инвариантность). В схеме классификации адронов пионы совместно с h-мезоном и К-мезонами (К⁺, К^-, К°, ) объединяются в октет псевдоскалярных мезонов (см. 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 p + p ® p + p + p не может протекать за счёт сильного взаимодействия, в котором G-чётность сохраняется, а распад p⁰-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 p^- мезонов около 13 см при энергии 200 Мэв и около 30 см при энергии 3 Гэв. При энергиях менее 50 Мэв пробег 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 p⁺ или p^- с энергией 15 Мэв равен примерно 4,7 мм. При этом остановившийся p⁺ распадается на положительный мюон и нейтрино (рис. 2), p^- захватывается ближайшим атомом, образуя мезоатом; последующий ядерный захват p^--мезона происходит с мезоатомных орбит и приводит к расщеплению ядра (рис. 1, б).

  p-мезоны в значительной степени определяют состав космических лучей 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, p⁺- и p^--мезоны создают проникающую компоненту космического излучения — мюоны и нейтрино высоких энергий, а p⁰-мезоны — электронно-фотонную компоненту.

  История открытия. Гипотеза о существовании пионов как «переносчика» ядерных сил была высказана японским физиком Х. Юкава в 1935 для объяснения короткодействующего характера и большой величины ядерных сил. Из неопределённостей соотношения 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 p-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). Поиски заряженных p-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 p⁺ ® m⁺ + n_m (см. рис.(рисунок) 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 p°-мезоны были впервые обнаружены в 1950 по g-квантам от их распада; p⁰ рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (около 330 Мэв) с ядрами. Обладая массой покоя m_p, пионы требуют для своего образования («рождения») затраты энергии, не меньшей их энергии покоя m_pс². Так, для протекания реакции р + р ® р + р + p⁰ 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_pс².

  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 ~ 10⁷ пионов в 1 сек, а так называемые «мезонные фабрики» (сильноточные ускорители на энергии ~ 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 p^--мезонов.

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

  Взаимодействия пионов. Наиболее специфичным для p-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/c » 14,6 в тысячи раз превышает безразмерную константу электромагнитного взаимодействия

  a = e²/c » ¹/₁₃₇

(здесь  — 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 — 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—10⁹ эв) 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 p-мезонов фотонами и электронами. Специфической чертой электромагнитных процессов с участием пионов является определяющая роль сильных взаимодействий. Так, характерный максимум в зависимости полного сечения процесса е⁺ + е^- ® p⁺+ p^- + p° от энергии (рис. 5) обусловлен резонансным взаимодействием в системе трёх пионов (максимум соответствует энергии покоя w-мезона, который распадается на 3p). Хорошо изученное электромагнитное поле служит эффективным инструментом для исследования природы p-мезонов.

  Слабое взаимодействие играет важную роль в физике p-мезонов, обусловливая нестабильность заряженных пионов, а также распады странных частиц на пионы. Изучение распадов p ® m + n, К ® p + p, К ® p + p + p привело к важнейшим открытиям физики. Было установлено следующее: образующееся в результате p — m^- -распада нейтрино (n_m) отличается от нейтрино (n_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 () нарушается закон сохранения комбинированной чётности (см. 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 p-мезонным полем.

  Существующие представления о природе p-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 и Ян Чжэнь-нина (1949) о том, что пион представляет собой сильно связанную систему (с энергией связи ~ 1740 Мэв) из нуклона и антинуклона. Согласно модели кварков, пионы являются связанными состояниями кварка и антикварка. Однако последовательная теория, описывающая p-мезонное поле и его взаимодействия с другими полями, отсутствует. Таким образом, ещё нет ясности в сложных вопросах природы и взаимодействия p-мезонов.

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

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

  А. И. Лебедев.

Рис. 3. Схема типичной установки для изучения взаимодействия p^--мезонов с протонами. Ускоренные до энергии 660 Мэв протоны попадают на расположенную внутри ускорительной камеры мишень 1 из Be. Образующиеся p^-- 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 p^-- с ядрами водорода регистрируются 7 (а — счётчики, б — поглотители).

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

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

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

Рис. 2. Фотография одного из первых зарегистрированных в ядерной фотоэмульсии случаев распада p⁺®m⁺+n_m.