Pion

Pion (π + )
klasifikace
Boson Hadron Meson
vlastnosti
elektrický náboj	1  e (+1,602 10 −19  C )
Klidová energie	139, 57039 (18)  MeV
spin parity	0 -
Isospin	1 (z složka +1)
průměrná životnost	2,6033 (5) · 10 −8  s
Složení kvarku	u d

Piony nebo mezony (dříve také známé jako částice Yukawa , jak předpovídal Hideki Yukawa ) jsou nejlehčí mezony . Podle standardního modelu z fyziky částic, které obsahují dva valenční kvarky a proto jsou většinou již není považován za elementárních částic dnes. Jako všechny mezony jsou to bosony , takže mají integrální spin . Jejich parita je záporná. ${\ displaystyle \ pi}$

Existuje neutrální pion a dva nabité piony: a jeho antičástice . Všechny tři jsou nestabilní a rozpadají se v důsledku slabé nebo elektromagnetické interakce . ${\ displaystyle \ pi ^ {0}}$${\ displaystyle \ pi ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$

konstrukce

Jedná se o kombinaci kvarku nahoru a kvarku dolů (antikvarky jsou označeny překrýváním): ${\ displaystyle \ pi ^ {+}}$${\ displaystyle u}$${\ displaystyle {\ bar {d}}}$

${\ Displaystyle | \ pi ^ {+} \ rangle = | u {\ bar {d}} \ rangle}$,

jeho antičástice je kombinací kvarku dolů a kvarku proti vzestupu : ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle {\ bar {u}}}$

${\ Displaystyle | \ pi ^ {-} \ rangle = | d {\ bar {u}} \ rangle}$.

Oba mají hmotnost 139,6 MeV / c². Aktuální genauestenova měření jeho hmotnosti na základě rentgenových přechodů v exotických atomech, které odebírají elektron, který vlastní. Životnost je 2,6 · 10 ^-8  s. ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$${\ displaystyle \ pi ^ {\ pm}}$

Toto je kvantově mechanická superpozice kombinace a - a - , tzn. H. dvě kvarkonie . Platí následující: ${\ displaystyle \ pi ^ {0}}$${\ displaystyle u {\ bar {u}}}$${\ displaystyle d {\ bar {d}}}$

${\ Displaystyle | \ pi ^ {0} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ Big [} | u {\ bar {u}} \ rangle - | d {\ bar { d}} \ rangle {\ Big]}}$

přičemž ortogonální stavu ,, se smísí s na ETA mezony . ${\ Displaystyle {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ Big [} | u {\ bar {u}} \ rangle + | d {\ bar {d}} \ rangle {\ Big]} }$${\ displaystyle | s {\ bar {s}} \ rangle}$

Při 135,0 MeV / c² je jeho hmotnost jen o málo menší než u nabitých pionů. Protože se rozpadá mnohem silnější elektromagnetickou interakcí, je jeho životnost 8,5 · 10 ⁻¹⁷  s asi o 10 řádů kratší.

Vzhledem k libovolně nastavitelnou fází, tři vlnové funkce může také být napsány v zřídka použité formě , a . To pak odpovídá Condon-Shortleyově úmluvě.${\ Displaystyle | \ pi ^ {+} \ rangle = | u {\ bar {d}} \ rangle}$${\ Displaystyle | \ pi ^ { -} \ rangle = - | {\ bar {u}} d \ rangle}$${\ Displaystyle | \ pi ^ {0} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ Big [} | d {\ bar {d}} \ rangle - | u {\ bar { u}} \ rangle {\ Big]}}$

Rozpadá se

Různé životnosti jsou způsobeny různými kanály rozpadu :

99,98770 (4)% nabitých pionů se v důsledku slabé interakce rozpadá na mion a mionové neutrino :

${\ Displaystyle \, \ pi ^ {+} \ to \ mu ^ {+}+\ nu _ {\ mu}}$

${\ Displaystyle \, \ pi ^ {-} \ to \ mu ^ {-} + {\ overline {\ nu}} _ {\ mu}}$

Skutečně energeticky příznivější rozpad na elektron a s ním spojené elektronové neutrino je z důvodů helicity silně potlačeno (viz: helicity # rozpad pionu ) .

Naproti tomu rozpad neutrálního pionu probíhá prostřednictvím silnější a tedy rychlejší elektromagnetické interakce. Konečnými produkty zde jsou obvykle dva fotony ${\ displaystyle \ gamma}$

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

s pravděpodobností 98,823 (32)% nebo jeden pozitron e ⁺ , jeden elektron e ^- a jeden foton

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

s pravděpodobností 1,174 (35)%.

Vzhledem ke své krátké životnosti 8,5 · ^10–17  s je neutrální pion detekován v experimentech sledováním shodně dvou rozpadových fotonů .

Historie výzkumu

Hideki Yukawa (1949)

Pion byl předpovězen jako výměnná částice jaderné energie Hideki Yukawou v Japonsku již v letech 1934/35 , který za něj v roce 1949 získal Nobelovu cenu. První „mezon“, původně mylně považovaný za částici Yukawa a později označovaný jako mion , našli Carl D. Anderson a Seth Neddermeyer v kosmickém záření v roce 1936 („mezon“ byl název pro jakoukoli nabitou částici těžší než elektron , ale lehčí jako proton ). Vymezení od průkopníka se objevilo až ve čtyřicátých letech minulého století (poprvé postulovali Y. Tanikawa a Shoichi Sakata v Japonsku v roce 1942). Cecil Powell , Giuseppe Occhialini a César Lattes z fyzikální laboratoře H. H. Wills v Bristolu objevili kromě mionů i piony v kosmickém záření a zkoumali jejich vlastnosti. V roce 1950 za to Powell obdržel Nobelovu cenu za fyziku. To však bylo, protože až později se v roce 1947 stalo známým něco o Donaldu H. Perkinsovi objeveném v kosmických paprscích. V roce 1948 byly piony poprvé uměle detekovány v urychlovačích (Lattes). ${\ displaystyle \ pi ^ {-}}$

Hromadné srovnání s nukleony

Při porovnávání hmotností pionů, z nichž se každý skládá ze dvou kvarků (mezonů), s hmotami protonu a neutronu ( nukleony ), z nichž každý sestává ze tří kvarků ( baryonů ), je patrné, že proton a neutron jsou každý daleko více než o 50% těžší než piony; hmotnost protonu je téměř sedmkrát větší než hmotnost pionů. Hmotnost protonu nebo neutronu se není získán jednoduchým přidáním masy svých tří současných kvarky, ale také přítomností gluons odpovědných za vazbu kvarky a takzvané moře kvarky . Tyto virtuální kvark-antikvark páry vznikají a mizí v nukleonu mezích vztahu neurčitosti Heisenberg a přispět k pozorovanému složka kvarkové hmoty .

Goldstoneova věta poskytuje vysvětlení mnohem nižší hmotnosti : Piony jsou kvazi-Goldstoneovými bosony spontánně (a navíc výslovně) zlomené chirální symetrie v kvantové chromodynamice .

Model výměny pionů

Piony mohou převzít roli výměnných částic v účinném teorii na silné interakce ( Sigma vzor ), který popisuje vazbu nukleonů v atomového jádra . (To je analogické s Van der Waalsovými silami , které působí mezi neutrálními molekulami, ale samy o sobě nejsou elementární silou; jsou založeny na elektromagnetické interakci .)

Tato teorie, kterou poprvé navrhli Hideki Yukawa a Ernst Stueckelberg , je platná pouze v omezeném energetickém rozsahu, ale umožňuje jednodušší výpočty a jasnější znázornění. Například jaderné síly zprostředkované piony mohou být zastoupeny v kompaktní formě pomocí Yukawského potenciálu : tento potenciál má na malých vzdálenostech odpudivý charakter ( zprostředkován hlavně prostřednictvím co -mezonů ), na středních vzdálenostech má silně atraktivní účinek (kvůli na 2-mezonovou výměnu, analogickou s 2-fotonovou výměnou Van der Waalsových sil), a na velké vzdálenosti vykazuje exponenciálně rozpadající se charakter (výměna jednotlivých mezonů).

Rozsah

V tomto modelu výměny vyplývá konečný rozsah interakce mezi nukleony z nenulové hmotnosti pionů. Maximální rozsah interakce lze odhadnout pomocí ${\ displaystyle r_ {0}}$

• vztah ,${\ displaystyle r_ {0} = c \ cdot t}$
• vztah nejistota energie čas ,${\ Displaystyle \ Delta t \ Delta E \ geq {\ frac {\ hbar} {2}} \ quad \ Leftrightarrow \ quad \ Delta t \ geq {\ frac {\ hbar} {2 \ Delta E}} \ quad \ vlevo (\ Rightarrow r_ {0} = c \ cdot {\ frac {\ hbar} {2E}} \ right)}$
• Einsteinova ekvivalence energie a hmotnosti , aby:${\ Displaystyle E = mc ^ {2} \ quad \ Leftrightarrow \ quad {\ frac {c} {E}} = {\ frac {1} {mc}}}$

${\ displaystyle r_ {0} = {\ frac {\ hbar} {2mc}}}$

Je to řádově velikost Comptonovy vlnové délky výměnné částice. V případě pionů  jsou získány hodnoty několika Fermi (10 - ¹⁵ m). Tento rozsah, který je ve srovnání s velikostí jádra krátký, se odráží v konstantní vazebné energii na nukleon, což zase tvoří základ pro kapénkový model.

Ukázka procesu

Výměna virtuálního pionu mezi protonem a neutronem

Výměna nabitého pionu mezi protonem a neutronem bude popsána jako příklad:

1. Z protonu se rozpustí u-kvark.
2. Z důvodu uvěznění nemohou existovat žádné volné kvarky. Proto se vytvoří dvojice d- d .
3. D-kvark zůstává v bývalém protonu a mění ho na neutron. U -kvark a d -kvark tvoří volný mezon π ⁺ .
4. Tento mezon se setkává s neutronem. Kvark d neutronu se zničí d kvarkem mezonu π ⁺ .
5. Počáteční situace je obnovena, zbývá jeden proton a jeden neutron.

literatura

• WM Yao et al: Přehled fyziky částic. In: Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 33, 2006, s. 1–1232, doi : 10,1088 / 0954-3899 / 33/1/001 .
• J. Steinberger, W. Panofsky, J. Steller: Důkazy pro produkci neutrálních mezonů fotony. In: Fyzický přehled. 78, 1950, s. 802-805, doi : 10,1103 / PhysRev . 78,802 . (Důkaz neutrálního piona).

Viz také

• Seznam mezonů

Individuální důkazy

1. ↑ ^{a b} Informace o vlastnostech částic (informační pole) jsou převzaty z: PAZyla et al. ( Particle Data Group ): 2020 Review of Particle Physics. In: Prog.Theor.Exp.Phys.2020,083C01 (2020). Particle Data Group, přístup 26. července 2020 . 
2. ↑ D. Perkins: Fyzika vysokých energií. Addison-Wesley, 1991.
3. ^ Yukawa: O interakci elementárních částic I. In: Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. 3. řada, svazek 17, 1935, s. 48-57.
4. ^ CMG Lattes, H. Muirhead, GPS Occhialini, CF Powell: Procesy zahrnující nabité mezony. In: Příroda. 159 (1947) 694-697.
5. ↑ CMG Lattes, GPS Occhialini, CF Powell: Stanovení poměru hmotností pi-mezonu a mu-mezonu metodou počítání zrn. In: Sborník fyzické společnosti. 61 (1948), s. 173-183.