Пі-мезони, p-мезоні, піони, група з трьох нестабільних елементарних часток — два заряджених (p + і p - ) і однією нейтральною (p 0 ); належать до класу сильно взаємодіючих часток (адронів) і є серед них найбільш легкими. Піони приблизно в 7 разів легше за протони і в 270 разів важче за електрони, тобто володіють масою, проміжною між масами протона і електрона; у зв'язку з цим вони і були названі мезонами (від греч.(грецький) mésos — середній, проміжний). Спин піонів дорівнює нулю і, отже, вони відносяться до бозонам (тобто підкоряються Бозе — Ейнштейна статистиці ). Піони є квантами поля ядерних сил, що здійснюють, зокрема, зв'язок нуклонів в атомних ядрах.
Основні властивості піонів і їх квантові числа. Піони беруть участь у всіх відомих типах взаємодій елементарних часток: сильному, електромагнітному, слабкому і гравітаційному. Гравітаційна взаємодія піонів украй мало (як і в інших елементарних часток) і не вивчалося. Слабка взаємодія відповідальна за нестабільність заряджених піонів, які розпадаються в основному на мюон (m) і мюонне нейтрино (n m ) або антинейтрино (): p + ® m + + n m , p - ® m - + . p 0 розпадається за рахунок електромагнітної взаємодії переважно на два g-кванті: p 0 ® g + g .
Електричний заряд Q піонів в одиницях елементарного заряду е рівний + 1 в p + —1 в p - і 0 в p 0 . Внутрішня парність піонів негативна: Р = - 1. (Частки із спином J = 0 і Р = -1 називаються псевдоскалярними.) Баріонний заряд В і дивацтво S піонів дорівнюють нулю. p + і p - є часткою і античасткою по відношенню один до одного; тому їх часи життя t і маси m однакові: t p + = t p - = (2,6024 ± 0,0024)×10 -8 сік = (139,5688 ± 0.0064) Мев/с 2 » 264me, де m e — маса електрона, з — швидкість світла. p 0 тождествен своїй античастці (тобто є абсолютно нейтральною часткою) і має позитивну зарядову парність: З = + 1 (см.Зарядове сполучення ) , час життя і маса p°:
t p 0 = (0,84 ± 0,10)×10 -16 сік,
= (134,9645 ± 0,0074) Мев/с 2 » 273 m e .
Піони володіють ізотопічним спином I = 1 і, отже, утворюють ізотопічний триплет: з трьома можливими «проекціями» ізотопічного спину I з = + 1,0—1 зіставляються три зарядові стани піонів: p+, p про , p - (див. Ізотопічна інваріантність ) . В схемі класифікації адронів піони спільно з h-мезоном і до-мезонами (К + , К - , К° ) об'єднуються в октет псевдоскалярних мезонів (див. Елементарні частки ) . Узагальнена зарядова парність піонів (G-парність) негативна: G = - 1.
Закони збереження квантових чисел накладають певні заборони на протікання різних реакцій за участю піонів. Наприклад, реакція p + p ® p + p + p не може протікати за рахунок сильної взаємодії, в якій g-парність зберігається, а розпад p 0 -мезонов можливий лише на парне число фотонів із-за збереження зарядової парності в електромагнітній взаємодії (фотон має негативну зарядову парність; З - і G -четності системи часток дорівнюють твору відповідних четностей вхідних в систему часток).
Піони сильно взаємодіють з атомними ядрами, викликаючи, зокрема, їх розщеплювання ( мал. 1 , а) . Пробіг піонів в речовині до ядерної взаємодії залежить від їх енергії і складає, наприклад, в графіті для p - мезонів близько 13 см при енергії 200 Мев і близько 30 см при енергії 3 Гев. При енергіях менше 50 Мев пробіг заряджених піонів в речовині визначається в основному втратами енергії на іонізацію атомів, так що, замедляясь, вони зазвичай не встигають до своєї зупинки провзаїмодействовать з ядрами. Так, пробіг до зупинки в ядерній фотоемульсії p + або p - з енергією 15 Мев дорівнює приблизно 4,7 мм. що При цьому зупинився p + розпадається на позитивний мюон і нейтрино ( мал. 2 ), p - захоплюється найближчим атомом, утворюючи мезоатом ; подальший ядерний захват p - -мезона відбувається з мезоатомних орбіт і приводить до розщеплювання ядра ( мал. 1 , би) .
p-мезоні в значній мірі визначають склад космічних променів в межах земної атмосфери. Будучи основними продуктами ядерних взаємодій часток первинного космічного випромінювання (протонів і важчих ядер) з ядрами атомів атмосфери, піони входять до складу ядерно-активної компоненти космічних променів; розпадаючись, p + - і p - -мезони створюють проникаючу компоненту космічного випромінювання — мюони і нейтрино високих енергій, а p 0 -мезони — електронно-фотонну компоненту.
Історія відкриття. Гіпотеза про існування піонів як «переносника» ядерних сил була висловлена японським фізиком Х. Юкава в 1935 для пояснення короткодіючого характеру і великої величини ядерних сил. З неопределенностей співвідношення для енергії і часу витікало, що якщо що діють між нуклонами (протонами і нейтронами) в ядрі сили обумовлені обміном квантами поля ядерних сил, то маса цих квантів (пізніше вони були названі p-мезонамі) повинна складати близько 300 електронних мас. Частки приблизно такої маси були виявлені в 1936—37 в космічних променях. Проте вони не володіли властивостями часток, передбачених Юкавой (см.Мюон ) . Пошуки заряджених p-мезонів увінчалися успіхом лише в 1947, коли англійськими ученими С. Латтесом, Х. Мюїрхедом, Дж. Оккиаліні і С. Ф. Пауеллом були знайдені в ядерних фотоемульсіях, опромінених космічними променями на великій висоті над поверхнею Землі, треки часток, що свідчать про розпад p + ® m + + n m ( див. мал.(малюнок) 2 ). У лабораторних умовах заряджені піони були вперше отримані в 1948 на прискорювачі в Берклі (США). Існування нейтральних піонів витікало з виявленої на досвіді зарядової незалежності ядерних сил (взаємодія між однаковими нуклонами — двома протонами або двома нейтронами — може здійснюватися лише обміном нейтральними піонами). Експериментально p°-мезони були вперше виявлені в 1950 по g-квантах від їх розпаду; p 0 народжувалися в зіткненнях фотонів і протонів високої енергії (близько 330 Мев ) з ядрами. Володіючи масою спокою m p піони вимагають для своєї освіти («народження») витрати енергії, не меншій їх енергії спокою m p с 2 . Так, для протікання реакції р + р ® р + р + p 0 необхідне, щоб кінетична енергія налітаючого протона р перевищувала порогову енергію, яка в лабораторній системі координат складає близько 282 Мев. Порогова енергія утворення піонів на важких ядрах нижча, ніж на протонах, і близька до m p с 2 .
Джерела піонів. Одним з найважливіших джерел піонів в природі, як вже говорилося, є космічні промені. Під дією первинної компоненти космічних променів піони народжуються у верхніх шарах атмосфери, але із-за ядерного поглинання і розпаду до рівня моря доходить лише їх незначна частина. Дослідження космічних променів на високогірних станціях і з допомогою апаратів, винесених у верхні шари атмосфери і космічний простір, дають важливі відомості про піони і їх взаємодії. Проте кількісне вивчення властивостей піонів виконується переважно на пучках часток високої енергії, отримуваних на прискорювачах протонів і електронів. На прискорювачах були встановлені квантові числа піонів, вироблені точні виміри мас, часів життя, рідких способів розпаду, детально вивчені реакції, що викликаються піонами. Сучасні прискорювачі створюють пучки піонів високої енергії (десятки Гев ) з потоками ~ 10 7 піонів в 1 сік, а так звані «мезонні фабрики» (сильноточниє прискорювачі на енергії ~ 1 Гев ) повинні давати потоки до 10 10 піонів в 1 сек. Пучки швидких заряджених піонів, які проходят до розпаду десятки і сотні м-коду, зазвичай транспортуються до місця вивчення їх властивостей і взаємодій по спеціальних вакуумних каналам. На мал. 3 змальована схема установки для здобуття і дослідження p - -мезонов.
Пучки отримуваних на прискорювачах p - -мезонов починають застосовувати в променевій терапії . Продукти розпаду піонів (мюони, нейтрино, фотони, електрони і позитрони) використовуються для вивчення слабких і електромагнітних взаємодій.
Взаємодії піонів. Найбільш специфічною для p-мезонів є сильна взаємодія, яка характеризується максимальною симетрією (виконанням найбільшого числа законів збереження), малим радіусом дії сил (£ 10 -13 см ) і великою константою взаємодії ( g ) . Так, безрозмірна константа, що характеризує зв'язок піонів з нуклонами, g 2 /c » 14,6 в тисячі разів перевищує безрозмірну константу електромагнітної взаємодії
а = e 2 /c » 1 / 137
(тут — постійна Планка).
До процесів сильної взаємодії піонів відносяться розсіяння піонів нуклонами, народження піонів в зіткненнях адронів, анігіляція антинуклонів і нуклонів з утворенням піонів, народження піонами так званих дивних часток — до-мезонів і гіперонів і ін. Непружні взаємодії адронів при високих енергіях (>10 9 ев ) обумовлені переважно процесами множинного народження піонів (див. Множинні процеси ) . В області менших енергій (10 8 —10 9 ев ) при взаємодії піонів з ін. мезонами і баріонами спостерігається утворення квазізв'язаних систем — збуджених станів мезонів і баріонів (так званих резонансів ) з часом життя 10 -22 — 10 -23 сек. Ці стани можуть виявлятися, наприклад, у вигляді максимумів в енергетичній залежності повних перерізів реакцій ( мал. 4 ).
Піони як і всі адрони, випускають і поглинають віртуальні сильно взаємодіючі частки (або пари часток-античасток). Радіус створюваної таким чином хмари віртуальних адронів, що оточує заряджені піони, складає приблизно 0,7×10 -13 див.
Серед електромагнітних взаємодій піонів якнайповніше вивчені процеси народження p-мезонів фотонами і електронами. Специфічною межею електромагнітних процесів з участю піонов є визначальна роль сильних взаємодій. Так, характерний максимум в залежності повного переріза процесу е + + е - ® p + + p - + p° від енергії ( мал. 5 ) обумовлений резонансною взаємодією в системі трьох піонів (максимум відповідає енергії спокою w-мезона, який розпадається на 3p). Добре вивчене електромагнітне поле служить ефективним інструментом для дослідження природи p-мезонів.
Слабка взаємодія грає важливу роль у фізиці p-мезонів, обумовлюючи нестабільність заряджених піонів, а також розпади дивних часток на піони. Вивчення розпадів p ® m + n, До ® p + p, До ® p + p + p привело до найважливіших відкриттів фізики. Було встановлено наступне: що утворюється в результаті p — m - -распада нейтрино (n m ) відрізняється від нейтрино (n e ), що виникає при бета-розпаді атомних ядер (див. Нейтрино ) , в слабкій взаємодії не зберігається просторова парність (Р); у розпадах на піони так званих довгоживучих нейтральних до-мезонів () порушується закон збереження комбінованої парності (див. Комбінована інверсія ) .
Роль піонів у фізиці ядра і елементарних часток. Дослідження процесів взаємодії піонів з елементарними частками і атомними ядрами істотно для з'ясування природи елементарних часток і визначення структури ядер.
В хмарі віртуальних адронів, що оточує кожну сильно взаємодіючу частку, найбільш видалену область займають піони (оскільки вони мають найменшу масу). Тому піони визначають периферичну частину сильних взаємодій елементарних часток, зокрема найбільш важливу для теорії ядра периферичну частину ядерних сил. На малих же відстанях між адронами ядерні сили обумовлені переважно обміном піоннимі резонансами.
Електромагнітні властивості адронів — їх аномальний магнітний момент, полярізуємость, просторове розподіл електричного заряду адронів і т.д.— визначаються в основному хмарою піонів, що віртуально випускаються і поглинаються адронами. Тут також грають важливу роль резонансні взаємодії піонів (див. Електромагнітні взаємодії ) .
Нарешті, вплив сильної взаємодії на слабке також в значній мірі визначається p-мезоннім полем.
Існуючі уявлення про природу p-мезонів носять попередній, модельний характер. Прийнято вважати, що маса піонів обумовлена сильною взаємодією, а відмінність мас заряджених і нейтральних піонів — електромагнітним. Велике евристичне значення мала гіпотеза Е. Ферма і Ян Чжень-ніна (1949) про те, що піон є сильно зв'язаною системою (з енергією зв'язку ~ 1740 Мев ) з нуклона і антинуклона. Згідно моделі кварків, піони є зв'язаними станами кварка і антикварка. Проте послідовна теорія, що описує p-мезонне поле і його взаємодії з іншими полями, відсутня. Таким чином, ще немає ясності в складних питаннях природи і взаємодії p-мезонів.
Вивчення властивостей p-мезонів і процесів з їх участю інтенсивно ведеться в найбільших лабораторіях світу.
Літ.: Газіоровіч С., Фізика елементарних часток, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Маршак Р. Е., Піони, в кн.: Елементарні частки, ст 2, М., 1963, с. 32—39; Орір Дж., Популярна фізика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Пауелл С., Фаулер П., Перкинс Д., Дослідження елементарних часток фотографічним методом, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1962.
