ПИ-МЕЗОНЫ

ПИ-МЕЗОНЫ , Пи - мезоны, пионы, группа
из трёх нестабильных элементарных частиц - двух заряженных ( Пи ⁺
и Пи ^-) и одной нейтральной ( Пи ^о); принадлежат
к классу сильно взаимодействующих частиц (адррнов) 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. mesos
- 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. Гравитац. взаимодействие
пионов крайне мало (как и у других элементарных частиц) и не изучалось.
Слабое взаимодействие ответственно за нестабильность заряженных пионов,
к-рые распадаются в основном на мюон (n) и мюонное нейтрино (vили антинейтрино (v+_>n⁺
+ v-_>n^- + vПи ° распадается за счёт электромагнитного взаимодействия преим. на два
Пи^o-кванта: Пи ^o_> y + y.

Электрич. заряд О пионов в единицах элементарного
заряда е равен + 1 у Пи ⁺, - 1 у Пи ^- и 0
у Пи°. Внутренняя чётность пионов отрицательна: p = - 1. (Частицы
со спином 1 = 0 и p = - 1 называются псевдоскалярным и.) Барионный заряд
В и странность S пионов равны нулю. Пи ⁺ и л^-
являются частицей и античастицей по отношению друг к другу; поэтому
их времена жизни т и массы т одинаковы: t+
= t- = = (2,6024±0,0024)·10^-8 сек,
т+ =m- = = (139,5688
+ 0,0064) Мэв/с² ж 264 тгде m- масса электрона, с - скорость света. Пи ° тождествен своей античастице
(т. е. является абсолютно нейтральной частицей) и имеет положит. зарядовую
чётность: С = + 1 (см. Зарядовое сопряжение); время жизни и масса
Пи ^o: t± 0,10) · 10^-16сек,
m2
273 mПионы обладают изотопич. спином I = 1 и, следовательно, образуют изотопический
триплет: с тремя возможными "проекциями" изотопич. спина I= + 1,0, - 1 сопоставляются три зарядовых состояния пионов: Пи ⁺,
Пи °, Пи ^- (см. Изотопическая инвариантность).
В схеме
классификации адронов пионы совместно с n-мезоном и К-мезонами (К⁺,
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.
Напр., реакция Пи + Пи -> Пи + + Пи + Пи не может протекать
за счёт сильного взаимодействия, в к-ром G- чётность сохраняется, а распад
Пи ^o-мезонов возможен только на чётное число фотонов из-за сохранения
зарядовой чётности в электромагнитном взаимодействии (фотон имеет отрицат.
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,
напр., в графите для Пи ^--мезонов ок. 13 см при энергии
200 Мэв и ок. 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 Пи ⁺ или Пи ^-
с энергией 15 Мэв равен примерно 4,7 мм. При этом остановившийся
Пи ⁺ распадается на положит. мюон и нейтрино (рис. 2),
а Пи ^-захватывается ближайшим атомом, образуя мезоатом; последующий
ядерный захват Пи
^- -мезона происходит с мезо-атомных орбит
и приводит к расщеплению ядра (рис. 1, б). Пи -мезоны в значит.
степени определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы.
Являясь осн. 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,
Пи ⁺- и Пи ^--мезоны создают проникающую компоненту
космического излучения - мюоны и нейтрино высоких энергий, а Пи °-мезоны
- электронно-фотонную компоненту.

Рис. 1. Расщепление ядер фотоэмульсии:
a-заряженным пионом с энергией 3,8 Гэв б-остановившимся Пи -мезоном.

История открытия. Гипотеза о существовании
пионов как "переносчика" ядерных сил была высказана япон. физиком
X. 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 я-мезонами) должна составлять
ок. 300 электронных масс. Частицы приблизительно такой массы были обнаружены
в 1936-37 в космич. лучах. Однако они не обладали свойствами частиц, предсказанных
Юкавой (см. Мюон). Поиски заряженных Пи -мезонов увенчались успехом
лишь в 1947, когда англ. учёными С. Латтесом, X. Мюирхедом, Дж. Оккиалини
и С. Ф. Пауэллом были найдены в ядерных фотоэмульсиях, облучённых
космич. лучами на большой высоте над поверхностью Земли, треки частиц,
свидетельствующие о распаде Пи ⁺ -> n⁺ + v(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 Пи
°-мезоны были впервые обнаружены в 1950 по y-квантам от их распада; Пи
° рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (ок. 330
Мэв)
с
ядрами. Обладая массой покоя mобразования ("рождения") затраты энергии, не меньшей их энергии покоя тПи с². Так, для протекания реакции р + р^_>р
+ р+ Пи ^o необходимо, чтобы кинетич. энергия налетающего протона
p превышала пороговую энергию, к-рая в лабораторной системе координат составляет
ок. 282 Мэв. Пороговая энергия образования пионов на тяжёлых ядрах
ниже, чем на протонах, и близка к тс².
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 Пи °-мезоны были впервые обнаружены в 1950 по y-квантам
от их распада; Пи ° рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой
энергии (ок. 330 Мэв) с ядрами. Обладая массой покоя mпионы требуют для своего образования ("рождения") затраты энергии, не меньшей
их энергии покоя тс². Так, для
протекания реакции р + р^_>р + р+ Пи ^o необходимо,
чтобы кинетич. энергия налетающего протона p превышала пороговую энергию,
к-рая в лабораторной системе координат составляет ок. 282 Мэв. Пороговая
энергия образования пионов на тяжёлых ядрах ниже, чем на протонах, и близка
к тс².

Рис. 2. Фотография одного из первых
зарегистрированных в ядерной фотоэмульсии случаев распада Пи ⁺->n⁺
+ v



Источники пионов. Одним из важнейших
источников пионов в природе, как уже говорилось, являются космич. лучи.
Под действием первичной компоненты космич. лучей пионы рождаются в верхних
слоях атмосферы, но из-за ядерного поглощения и распада до уровня моря
доходит лишь их незначит. часть. Исследования космич. лучей на высокогорных
станциях и с помощью аппаратов, вынесенных в верхние слои атмосферы и космич.
пространство, дают важные сведения о пионах и их взаимодействиях. Однако
количеств. изучение свойств пионов выполняется преим. 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. Совр. ускорители создают пучки пионов высокой энергии (десятки
Гэв)
с
потоками 10⁷ пионов в 1 сек, а т. н. "мезонные фабрики"
(сильноточные ускорители на энергии 1 Гэв) должны давать потоки
до 10¹⁰ пионов в 1 сек. Пучки быстрых заряженных пионов,
к-рые проходят до распада десятки и сотни м, обычно транспортируются
к месту изучения их свойств и взаимодействий по спец. вакуумным каналам.
На рис. 3 изображена схема установки для получения и исследования Пи ^--мезонов.

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

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



Взаимодействия пионов. Наиболее
специфичным для л-мезонов является сильное взаимодействие, которое характеризуется
максимальной симметрией (выполнением наибольшего числа законов сохранения),
малым радиусом действия сил (<10^-13см) и большой константой
взаимодействия (g). Так, безразмерная константа, характеризующая
связь пионов с нуклонами, g²/hc " 14,6 в тысячи раз превышает
безразмерную константу электромагнитного взаимодействия a = e²/hc1/137
(здесь h - 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
т. н. странных частиц - К-мезонов и гиперонов и др. Неупругие взаимодействия
адронов при высоких энергиях (>10⁹ эв) обусловлены преим. 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 (т. н. резонансов) с временем
жизни 10^-22-10^-23сек. Эти состояния могут
проявляться, напр., в виде максимумов в энергетич. зависимости полных сечений
реакций (рис. 4).

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

Рис. 4. Зависимость полных сечений o
взаимодействия Пи ⁺- и Пи ^--мезонов с протонами (р)
от полной суммарной энергии сталкивающихся частиц в системе центра масс
(Е

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

Слабое взаимодействие играет важную роль
в физике л-мезонов, обусловливая нестабильность заряженных пионов, а также
распады странных частиц на пионы. Изучение распадов Пи -> n + v, К ^_>
Пи + Пи , К ^_> Пи + Пи + Пи привело к важнейшим открытиям физики.
Было установлено следующее: образующееся в результате Пи - n-распада нейтрино
(vбета-распаде
атомных
ядер (см. Нейтрино); в слабом взаимодействии не сохраняется пространств.
чётность (Р); в распадах на пионы т. н. долгоживущих нейтральных К-мезонов
(К ) 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 (т. к. они имеют наименьшую массу). Поэтому пионы определяют периферич.
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
электрич. 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).

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

Наконец, влияние сильного взаимодействия
на слабое также в значительной степени определяется Пи -мезонным полем.
Существующие представления о природе я-мезонов носят предварительный, модельный
характер. Принято считать, что масса пионов обусловлена сильным взаимодействием,
а различие масс заряженных и нейтральных пионов - электромагнитным. Большое
эвристич. значение имела гипотеза Э. Ферми и Ян Чжэнъ-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 л-мезонное поле и его взаимодействия с другими полями,
отсутствует. Т. о., ещё нет ясности в сложных вопросах природы и взаимодействия
Пи -мезонов.

Изучение свойств л-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.