Pion

Pion
Structura quarkului unui pion π ⁺
Clasificare	Particulă compusă ( hadron )
Compoziţie	π ⁺ : u d π ⁰ : u u , d d π ^- : u d
Familie	Bosoni
grup	Mezonii
Interacțiuni	Gravitație , electromagnetică , slabă , puternică
Simbol	π ⁺ , π ⁰ , π ^-
Teorizat	Hideki Yukawa (1935)
Descoperire	César Lattes , Giuseppe Occhialini și Cecil Powell (1947)
Proprietăți fizice
Masa	139,6 MeV / c ² ^[1]
Produse de descompunere	π ⁺ : μ ^- + ν _μ (cel mai frecvent) π ⁰ : γ + γ (cel mai frecvent) π ^- : μ ⁺ + ν _μ (cel mai frecvent)
Incarcare electrica	π ^± : ± 1 e π ⁰ : 0 e
A învârti	0

În fizica particulelor , pionul , sau mezonul Pi , este particula care mediază interacțiunea puternică dintre nucleoni . Este cel mai ușor dintre mezoni și există în trei stări de izospin : π ⁺ , π ⁰ și π ^- .

A fost primul mezon care a fost teorizat în 1935 de Hideki Yukawa și detectat în 1947 în raze cosmice .

Proprietate

Mesonii Pi au zero rotire (deoarece toți mezonii sunt bosoni ) și sunt compuși din quarcuri de primă generație. Un quark sus și un antiquark jos formează un π ⁺ ( u d ), un jos și un anti-sus formează un π ^- ( u d ), antiparticulele sale. Combinațiile de sus și anti-sus sau jos și anti-jos sunt ambele neutre, dar, deoarece au aceleași numere cuantice , se găsesc doar într-o combinație de stări. Combinația cu cea mai mică energie este π ⁰ , care este o antiparticulă a sa ^[2] și este formată dintr-o combinație neutră de quarcuri în sus și în jos ( u u , d d ). Împreună, pionii formează un triplet de izospin ; fiecare pion are izospin 1 ( $I=1$ ${\ displaystyle I = 1}$ ${\ displaystyle I = 1}$ ) și a treia componentă a izospinului este egală cu sarcina ( $I_{z}=+1;0;-1$ ${\ displaystyle I_ {z} = + 1; 0; -1}$ ${\ displaystyle I_ {z} = + 1; 0; -1}$ ).

Π ⁺ și π ^{- se} pot combina pentru a forma un atom exotic numit pion , dacă sunt creați unul lângă altul cu un impuls relativ scăzut.

Mesonul π ^± are o masă de 139,6 MeV / c ² ^[3] și o durată medie de viață de 2,6 × 10 ⁻⁸ secunde. Mesonul π ⁰ are o masă de 135,0 MeV / c ² și o durată medie de viață de 8,4 × 10 ⁻¹⁷ secunde.

Descompunere

Diagrama Feynman a decăderii principale a pionilor.

Principala descompunere ( probabilitate 99.9877%) pentru pionul încărcat ( π ^± ) are ca produse un muon și neutrinul său:

\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu },~~~\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }.

{\ displaystyle \ pi ^ {+} \ to \ mu ^ {+} + \ nu _ {\ mu}, ~~~ \ pi ^ {-} \ to \ mu ^ {-} + {\ bar {\ nu }} _ {\ mu}.}

\ pi ^ {+} \ to \ mu ^ {+} + \ nu _ {\ mu}, ~~~ \ pi ^ {-} \ to \ mu ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {\ mu}.

Al doilea tip de descompunere (0,0123%) se află în electron și în neutrinul său:

\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e},~~~\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.

{\ displaystyle \ pi ^ {+} \ to e ^ {+} + \ nu _ {e}, ~~~ \ pi ^ {-} \ to e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {Și}.}

\ pi ^ {+} \ to e ^ {+} + \ nu _ {e}, ~~~ \ pi ^ {-} \ to e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e} .

Decăderea principală (98,798%) pentru pionul neutru ( π ⁰ ) este în doi fotoni :

\pi ^{0}\to 2\gamma

{\ displaystyle \ pi ^ {0} \ to 2 \ gamma}

\ pi ^ {0} \ to 2 \ gamma

.

A doua cea mai importantă dezintegrare (1,198%) se numește dezintegrarea Dalitz într-un foton și o pereche de electroni - pozitroni :

\pi ^{0}\to \gamma +e^{+}+e^{-}

{\ displaystyle \ pi ^ {0} \ to \ gamma + e ^ {+} + e ^ {-}}

\ pi ^ {0} \ to \ gamma + e ^ {+} + e ^ {-}

.

Predicția teoretică a masei

În 1935, Yukawa a emis ipoteza existenței pionului pe baza unui raționament simplu: interacțiunea electromagnetică , datorată unui schimb de fotoni fără masă, este pe termen lung, în timp ce interacțiunea nucleară având un interval limitat (aproximativ 1,3 fm ) trebuie să aibă un particula mediatoare de masă . Fizicianul japonez a încercat apoi să prezică întinderea.

Acum, lungimea de undă de Broglie de exemplu pentru proton corespunde razei sale clasice :

{\frac {\hbar }{m_{p}c_{0}}}=0,2fm

{\ displaystyle {\ frac {\ hbar} {m_ {p} c_ {0}}} = 0.2fm}

{\ frac {\ hbar} {m_ {p} c_ {0}}} = 0,2fm

prin urmare, s-ar putea crede că mediatorul interacțiunii nucleare trebuie să aibă o rază corespunzătoare razei nucleare:

{\frac {\hbar }{m_{\pi }c_{0}}}=1,3fm

{\ displaystyle {\ frac {\ hbar} {m _ {\ pi} c_ {0}}} = 1,3fm}

{\ frac {\ hbar} {m _ {\ pi} c_ {0}}} = 1,3fm

Prin urmare, se așteaptă o masă de ordinul a 140 MeV, compatibilă cu datele experimentale.

Această estimare este atinsă și prin trecerea prin principiul incertitudinii Heisenberg , sub forma:

\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}

{\ displaystyle \ Delta E \ Delta t \ geq {\ frac {\ hbar} {2}}}

\ Delta E \ Delta t \ geq {\ frac {\ hbar} {2}}

Totuși, nimic nu împiedică o particulă care are energie și timp caracteristice să fie aproape de acțiunea elementară , așa că spuneți:

\Delta E=m_{\pi }c^{2}

{\ displaystyle \ Delta E = m _ {\ pi} c ^ {2}}

\ Delta E = m _ {\ pi} c ^ {2}

\Delta t={\frac {1.3fm}{c}}

{\ displaystyle \ Delta t = {\ frac {1.3fm} {c}}}

\ Delta t = {\ frac {1.3fm} {c}}

se obține relația de mai sus.

Potențialul corespunzător, numit potențial Yukawa , este de forma:

A\operatorname {\frac {e^{-{\frac {r}{1.3fm}}}}{r}}

{\ displaystyle A \ operatorname {\ frac {e ^ {- {\ frac {r} {1.3fm}}}} {r}}}

A \ operatorname {\ frac {e ^ {{- {\ frac {r} {1.3fm}}}}} {r}}

Notă

^ (EN) C. Amsler și colab. ( Particle Data Group ), PDGLive Particle Summary ^{[ link broken ]} , at pdglive.lbl.gov , Particle Data Group , 2009. Accesat la 23 iulie 2009 .
^ Eugene Hecht, Physique, De Boeck, 1998 ( ISBN 978-2744500183 ), p. 1218
^(EN) S. Eidelman și colab., Light unflavored mesons (PDF), pe pdg.lbl.gov.

Bibliografie

( EN ) WM Yao și colab. , Revizuirea fizicii particulelor , în J. Phys. G: Nucl. Parte. Fizic. , vol. 33, nr. 1, 17 iulie 2006, pp. 1-1232, DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 33/1/001 .
J. Steinberger, WKH Panofsky și J. Steller (1950). Dovezi pentru producerea mezonilor neutri de către fotoni . Physical Review 78: 802. doi: 10.1103 / PhysRev.78.802.