Пи-мезоны
Пи-мезо'ны, 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. 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 (nm) или антинейтрино (): p+ ® m+ + nm, 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: tp+ = tp- = (2,6024 ± 0,0024)×10-8 сек, = (139,5688 ± 0.0064) Мэв/с2 » 264me, где me — 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°:
tp0 = (0,84 ± 0,10)×10-16 сек,
= (134,9645 ± 0,0074) Мэв/с2 » 273 me.
Пионы обладают изотопическим спином I = 1 и, следовательно, образуют изотопический триплет: с тремя возможными «проекциями» изотопического спина Iз = + 1,0,—1 сопоставляются три зарядовых состояния пионов: p+, po, 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+ + nm (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 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 mp, пионы требуют для своего образования («рождения») затраты энергии, не меньшей их энергии покоя mpс2. 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 mpс2.
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.
