ПИМЕЗОНЫ

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 (v_n) или антинейтрино (v_n) : Пи ^+_>n⁺ + v_n, Пи ^-_>n^- + v_n. Пи ° 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 _Пи ⁺ = t _Пи ^- = = (2,6024±0,0024)·10^-8 сек, т _Пи + =m _Пи ^- = = (139,5688 + 0,0064) Мэв/с² ж 264 т_e, где m_e - 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 _Пи ° = (0,84 ± 0,10) · 10^-16сек, m _Пи ° = (134,9645±0,0074) Мэв/с² ~273 m_e. Пионы обладают изотопич. спином I = 1 и, следовательно, образуют изотопический триплет: с тремя возможными "проекциями" изотопич. спина I₃ = + 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_n (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 m _Пи , пионы требуют для своего образования ("рождения") затраты энергии, не меньшей их энергии покоя т _Пи 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 т _Пи с². 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 m _Пи , пионы требуют для своего образования ("рождения") затраты энергии, не меньшей их энергии покоя т _Пи 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 т _Пи с².

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

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/hc~1/137 (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_{ц .м.}).

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 (v_n) отличается от нейтрино (v_e), возникающего при бета-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.