ПИ-МЕЗОНЫ

(p-мезоны, пионы), группа из трёх нестабильных бесспиновых элем. ч-ц — двух заряженных (p+ и p-) и одной нейтральной (p°), относящихся к классу адронов и являющихся среди них наиболее лёгкими. Масса пионов — промежуточная между массами протона и эл-на, в связи с этим они и были названы «мезонами» (от греч. mesos — средний, промежуточный): т±»140 МэВ, тp° »135 МэВ. Согласно совр. представлениям, пион состоит из кварка (u, d) и антикварка (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ).

Пионы участвуют во всех фундаментальных вз-ствиях. Слабое вз-ствие ответственно, в частности, за нестабильность заряж. пионов, к-рые распадаются в основном (на 99,97%) по схеме p± ®m±+vm (v=m) за время 2,6X10-8с. Нейтральные пионы распадаются в результате эл.-магн. вз-ствия преим. на два g-кванта (98,85%) и имеют время жизни 0,83•10-16 с. Наиб. характерно для пионов участие в процессах сильного взаимодействия.

Т. к. спин пионов J=0, они подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике. Их внутр. чётность отрицательна: Р=-1. Ч-цы с такими хар-ками (J=0, Р=-1) наз. псевдоскалярными. Барионный заряд и странность пионов равны нулю. p+ и p-явл. ч-цей и античастицей по отношению друг к другу, а p° тождествен своей античастице (т. е. явл. истинно нейтральной частицей) и имеет положит. зарядовую чётность: С=+1. Изотопический спин пионов I=1, и они образуют изотопич. триплет:

трем возможным «проекциям» пзотопич. спина I3 =+1, 0, -1 соответствуют три зарядовых состояния пионов: p+, p°, p-. G-чётность пионов отрицательна: G=-1.

Законы сохранения квант. чисел определяют возможность и интенсивность протекания разл. реакций с участием пионов. Напр., распад p°-мезонов возможен только на чётное число фотонов из-за сохранения зарядовой чётности в эл.-магн. вз-ствии (для фотона С=-1). Хотя h-мезон и p-мезоны сильно взаимодействуют друг с другом, процесс h®3p не может протекать за счёт сильного вз-ствия, сохраняющего G-чётность (к-рая для h-мезона положительна, а для системы из 3p отрицательна); этот процесс идёт за счёт эл.-магн. вз-ствия.

Пионы сильно взаимодействуют с ядрами, вызывая, как правило, их расщепление (рис. 1, а). Заряж. пионы с энергией неск. МэВ и ниже при движении в в-ве тратят свою энергию в осн. на ионизацию атомов и обычно не успевают до своей остановки провзаимодействовать с ядрами.

Рис. 1. Расщепление ядра одного из элементов, входящих в состав фотоэмульсии, заряженным пионом с энергией 3,8 ГэВ (a) и остановившимся p- -мезоном (б) с образованием т. н. звёзд.

При этом остановившийся p- захватывается на «орбиту» мезоатома, затем поглощается ядром и расщепляет его (рис. 1,6), а p+ распадается на положит. мюон и нейтрино (рис. 2). p-мезоны в значит. степени определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы.

Рис. 2. Фотография треков, образованных в яд. фотоэмульсии заряж. частицами при распаде p+®m++vm® е++ve+vm.

Существование пионов было постулировано япон. физиком X. Юкавой в 1935 для объяснения короткодействующего хар-ра и большой величины ядерных сил. Экспериментально заряж. пионы открыты в 1947 по их распаду p+®m++vm, зарегистрированному в яд. фотоэмульсиях, облучённых косм. лучами. В лаб. условиях заряж. пионы были впервые получены в 1948 на ускорителе в Беркли (США). Существование нейтральных пионов следовало из обнаруженной на опыте зарядовой независимости яд. сил. Экспериментально p° были обнаружены в 1950 по g-квантам от их распада p° ®g+g; p° рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (=300 МэВ) с ядрами.

Количеств. изучение св-в пионов и их вз-ствий выполняется преим. на пучках ч-ц высокой энергии, получаемых на ускорителях. Совр. протонные ускорители дают пучки пионов (образованных в результате вз-ствия ускоренных протонов с ядрами мишени) с потоком до 1010 пионов в 1 с. Наиб. специфичное для p-мезонов сильное вз-ствие характеризуется макс. симметрией, малым радиусом действия сил и большой константой связи (g). Так, безразмерная константа, характеризующая связь пионов с нуклонами, g2/ћc»14,6, на три порядка превышает безразмерную константу эл.-магн. вз-ствия a=e2/ћc »1/137. К процессам сильного вз-ствия пионов относятся их рассеяние нуклонами и ядрами, рождение пионов в столкновениях адронов, аннигиляция антинуклонов и нуклонов с образованием пионов, рождение пионами К-мезонов и гиперонов и др. Неупругие вз-ствия адронов при высоких энергиях (? 10 ГэВ) обусловлены преим. процессами множеств. рождения пионов (см. МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ). В области меньших энергий (0,1—1 ГэВ) при вз-ствии пионов с др. мезонами и барионами наблюдается образование резонансов, к-рые могут проявляться, напр., в виде максимумов в энергетич. зависимости полных сечений реакций (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость полных сечений s вз-ствия p+ и p- с протонами от полной энергии ?с.ц.и сталкивающихся ч-ц в системе центра инерции.

В результате сильного вз-ствия пионы испускают и поглощают виртуальные адроны. Радиус создаваемого т. о. облака виртуальных адронов, окружающего заряж. пионы, составляет прибл. (0,6—0,7) •10-13 см. Среди эл.-магн. вз-ствий пионов наиб. полно изучены процессы рожде-ния пионов фотонами и эл-нами. Специфич. чертой эл.-магн. процессов с участием пионов явл. определяющая роль сильного вз-ствия. Так, характерный максимум в зависимости полного сечения процесса e++e-®p++p-+p° от энергии (рис. 4) обусловлен тем, что эта реакция идёт через превращение пары е+е- в виртуальный фотон (g*), к-рый при энергиях вблизи максимума сечения переходит в w-мезон, распадающийся за счёт сильного вз-ствия на три пиона: е++е-®g* ®w ®p++p-+p° (в системе центра инерции сталкивающихся ч-ц максимум отвечает энергии покоя w-мезона). Хорошо изученные эл.-магн. вз-ствия служат эфф. инструментом для исследования пионов, в частности позволяют измерить их формфактор.

Рис. 4. Зависимость полного сечения о процесса е++е-®p++p-+p° от суммарной энергии эл-на и позитрона (2?) во встречных пучках; максимум соответствует энергии w-резонанса в системе трёх пионов.

Слабое вз-ствие обусловливает нестабильность заряж. пионов, а также распады странных частиц на пионы. Изучение распадов p®m+vm , К®p+p, К ®p+p+p привело к ряду открытий. Было установлено существование двух типов нейтрино — электронного и мюонного, нарушение сохранения пространств. чётности в распадах, происходящих за счёт слабого вз-ствия, нарушение сохранения комбиниров. чётности (см. КОМБИНИРОВАННАЯ ИНВЕРСИЯ, К-МЕЗОНЫ).

Исследование процессов вз-ствия пионов с ч-цами и ядрами существенно для выяснения природы элем. ч-ц и определения структуры ядер. Пионы определяют периферич. часть сильного вз-ствия, в частности яд. сил. На малых расстояниях между нуклонами яд. силы обусловлены преим. обменом пионными резонансами.

Эл.-магн. св-ва адронов: аномальные магн. моменты, поляризуемость, пространств. распределение электрич. заряда адронов и т. д.— обусловлены облаком пионов, виртуально испускаемых и поглощаемых адронами. И здесь резонансные вз-ствия пионов играют важную роль. Одинаковость квант. чисел фотона и векторных пионных резонансов (r, w, j и др.) легла в основу модели векторной доминантности, согласно к-рой фотон взаимодействует с адроном, предварительно превратившись в векторный мезон. Влияние сильного вз-ствия на слабое вз-ствие адронов также в значит. степени определяется p-мезонным полем.

Пучки получаемых на ускорителях пионов начинают применять в лучевой терапии.