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π介子

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π介子
Quark structure pion.svg
π介子的夸克构成。
组成 π+:ud
π0:dd / uu
π:du
玻色子
基本相互作用
符号 π+π0π
理论 汤川秀树
类型 3
质量 π±:139.57018(35) MeV/c2
π0:134.9766(6) MeV/c2
电荷 π±:±e
π0:0
自旋 0

粒子物理学中,π介子是以下三种次原子粒子之一:π+π0ππ介子是最重要的介子之一,在揭示强核力的低能量特性中起着重要的作用。

基本性质[编辑]

π介子拥有0自旋,由第一夸克组成。在夸克模型中,一个上夸克和一个反下夸克构成一个π+,一个下夸克和一个反上夸克构成一个π,它们互为反粒子。中性的组合——上夸克和反上夸克、下夸克和反下夸克组成π0,它们拥有相同的量子数,因而只能在叠加中出现。最低能量的叠加是π0,它的反粒子就是自己。

带电π介子衰变[编辑]

π介子轻子型衰变的费曼图

π±介子拥有139.6MeV/c2质量,和2.6×10-8s的平均寿命。它们因弱作用而衰变。主要的衰变形式(占99.9877%)是纯轻子型衰变,变成一个μ子和一个中微子

π+ μ+ + νμ
π μ + νμ

第二种衰变模式(占0.0123%)是衰变成一个电子和一个电中微子。(由欧洲核子研究组织在1958年发现)

π+ e+ + νe
π e- + νe

μM子型衰变对电子型衰变的抑制作用的系数大约是

R_\pi = (m_e/m_\mu)^2 \left(\frac{M_\pi^2-M_e^2}{M_\pi^2-M_\mu^2}\right)^2

这是一种自旋效应,称为螺旋抑制。

除了纯轻子型衰变,还有一种由结构决定的放射性轻子型衰变。这种β衰变非常少见(几率大约是10−8),最终生成一个中性π介子。

中性π介子衰变[编辑]

π0介子的质量稍小,是135.0 MeV/c2,平均寿命则短得多,是8.4×10-17 s。它的衰变是由于电磁力的作用。它的主要衰变形式(占98.798%)是衰变成两个光子

π0 2 γ

它的第二种衰变方式(占1.198%)——达利茨衰变是衰变成一个光子和一对电子正电子

π0 γ + e- + e+

π介子衰变的几率在粒子物理学的分支,如手征微扰理论中非常重要。这个比率可由π介子衰变常量ƒπ)表示,大约是90 MeV。

π介子
粒子名称 粒子
符号
反粒子
符号
夸克
构成[1]
静止质量MeV/c2 IG JPC S C B' 平均寿命 (s) 一般衰变产物

(>5%)

π介子[2] π+ π ud 139.570 18(35) 1 0 0 0 0 2.6033 ± 0.0005 × 10−8 μ+ + νμ
π介子[3] π0 自身 \tfrac{\mathrm{u\bar{u}} - \mathrm{d\bar{d}}}{\sqrt 2}[a] 134.976 6 ± 0.000 6 1 0−+ 0 0 0 8.4 ± 0.6 × 10−17 γ + γ

[a] ^ 由于夸克质量非零而不准确。[4]

历史[编辑]

汤川秀树在1935年的理论工作预测到了存在携带强核力的介子。在核力的作用范围内(猜想是原子核的半径),汤川秀树预测这种粒子的质量约为100 MeV/c²。紧接着,在1936年发现了μ子之后,人们曾认为这就是汤川秀树预测的粒子——它的质量是106 MeV/c²。但是,接下来的实验表明,μ子并不参与强核力的作用。用现在的术语来讲,μ子是一种轻子,而非介子。

在1947年第一个真正的介子——带电的π介子在塞西尔·鲍威尔塞萨尔·拉特斯朱塞佩·奥基亚利尼的合作下在布里斯托尔大学被发现。由于粒子加速器尚未诞生,高能量只能来自于大气中的宇宙射线。研究者在很长一段时间之内都需要把感光乳胶放在海拔很高的地方(最初在比利牛斯山南日比戈尔峰,后来搬到了安第斯山卡考塔亚峰),以让它暴露在高能射线中。在覆盖好这些实验品之后,研究者通过显微镜观察到了带电粒子的踪影。π介子最初被它们异常的“双介子”特性而被确认——它们衰变成另一种“介子”(μ子)。1948年,拉特斯和尤金·加德纳采用加利福尼亚大学伯克利分校粒子加速器,用α粒子轰击原子,成功地人造出π介子

1949年,汤川秀树因成功预测π介子而获得诺贝尔物理学奖次年,鲍威尔因发展了采用感光乳胶确定粒子的方法也获得了同一奖项。

由于不带电,中性π介子相对带电的π介子来说很难发现:它在感光乳胶上没有痕迹。它的存在是由它的衰变产物证明的——因此它被称为电子光子的“软结合”。π0的衰变产物——2个光子在1950年被伯克利的加速器确认;同年英国布里斯托尔大学在宇宙射线气球实验中也发现了它。

π介子在宇宙论中也为宇宙射线能量增加了上限——GZK极限

根据现代物理学对强相互作用的解释(量子色动力学),π介子被认为是手征对称性破缺戈德斯通玻色子的对应粒子。这解释了π介子轻于其他介子(如η'介子,958 MeV/c²)的原因。根据戈德斯通定理的预测,如果构成它们的夸克没有质量(符合手徵對稱性),那么π介子的质量就为零。但是夸克实际上有一点质量,因此π介子质量也不大。

一些公共单位发现了π介子在辐射疗法上的作用。这些单位包括洛斯阿拉莫斯国家实验室——它用这种疗法在1974年至1981年间治疗了228位病人[1]、以及位于加拿大不列颠哥伦比亚三大学介子机构[2]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ C. Amsler et al.. (2008): Quark Model
  2. ^ C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π±
  3. ^ C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π0
  4. ^ Griffiths, David J.. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4. 

延伸阅读[编辑]

外部链接[编辑]