Пи-мезоны

Пи-мезо́ны ($π$-мезоны, пионы), группа адронов, в которую входят два заряженных ($π^+$ и $π^–$) и один нейтральный ($π^0$) мезон; имеют равные нулю спин $J$, лептонное число, странность, очарование и прелесть, отрицательную внутреннюю чётность $P=–1$ и положительную зарядовую чётность $C=+1$ у $π^0$-мезонов. Изотопический спин $I$ пи-мезона равен 1 (они образуют изотопический триплет). $G$-чётность отрицательна. $π^+$ и $π^–$ -мезоны представляют по отношению друг к другу частицу и античастицу.

Пи-мезоны являются легчайшими среди всех адронов: массы $π^+$- и $π^–$-мезонов равны 140 МэВ, масса $π^0$-мезона составляет 135 МэВ. Эти величины являются промежуточными между массами протона и электрона, в связи с чем и возникло название мезоны (от греческого μέσος – средний). Пи-мезоны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях.

Согласно современной кварковой модели, пи-мезоны образованы u- и d-кварками и их антикварками $\tilde u$ и $\tilde d$, при этом для волновых функций выполняются соотношения: $π^+=(u\tilde d), π^–=(d u\tilde u), π^0=(d\tilde d - u\tilde u)/\sqrt{2}$. Согласно одному из существующих объяснений, необычно малая масса пи-мезонов (по сравнению с другими адронами) может быть связана с их ролью голдстоуновских бозонов, возникающих при нарушении киральной симметрии сильных взаимодействий.

Распады заряженных пи-мезонов обусловлены слабым взаимодействием и происходят в основном (99,99 %) по каналу $π^± →μ^±+ν_μ(\tilde ν_μ)$ за время 2,6·10^–8 с (здесь $μ^–$ и $μ^+$ – мюон и антимюон, $ν_μ$ и $\tilde ν_μ$ – мюонные нейтрино и антинейтрино). Нейтральные пи-мезоны распадаются благодаря электромагнитным взаимодействиям в основном (98,82 %) на два γ-кванта ($π^0→γ+γ$) за время 8,4·10^–17 с. Численное значение времени жизни $π^0$-мезона послужило дополнительным аргументом в пользу существования трёх цветов у кварков.

Существование пи-мезона с массой около 150 МэВ постулировал Юкава Хидэки в 1935 г. для объяснения короткодействующего характера и большой величины ядерных сил. При этом пи-мезону отводилась роль поля, ответственного за перенос взаимодействий, аналогичная роли фотонов в электродинамике. Характерная безразмерная константа пион-нуклонной связи $\text{g}^2/\hbar \text{c} \approx 14,6$ на 3 порядка превышает безразмерную константу электромагнитного взаимодействия $\alpha=\text{e}^2/\hbar \text{c}\approx 1/137$ (здесь $\hbar$ – постоянная Планка, $\text{c}$ – скорость света, $\text{g}$ – константа пион-нуклонного взаимодействия, $\text{e}$ – элементарный электрический заряд). Такая эффективная теория ядерных сил используется и в настоящее время (20-е гг. 21 в.), однако лишь в «мягкой» кинематической области, когда характерная величина энергий и импульсов не превосходит ~ 1 ГэВ. При значительно больших энергиях адронные взаимодействия описываются в рамках квантовой хромодинамики на языке фундаментальных полей: кварков и глюонов.

Заряженные пи-мезоны экспериментально обнаружены в 1947 г. по их распаду $π^+→ μ^++ν_μ$, зарегистрированному в ядерных фотоэмульсиях под действием космических лучей. В лабораторных условиях заряженные пи-мезоны впервые получены в 1948 г. на ускорителе в Беркли (США). Существование нейтральных пи-мезонов следовало из установленной на опыте зарядовой независимости ядерных сил (взаимодействие между двумя одинаковыми нуклонами – двумя протонами или двумя нейтронами – может происходить только как обмен нейтральными пи-мезонами). Экспериментально $π^0$-мезоны обнаружены в 1950 г. по регистрации $γ$-квантов от их распада: $π^0→γ+γ$; $π^0$-мезоны рождались в столкновениях $γ$-квантов и протонов с энергией около 300 МэВ с атомными ядрами.

Сравнительно большое время жизни заряженных пи-мезонов позволяет им проходить после своего рождения макроскопические расстояния. При прохождении через вещество ($π^+$ и $π^–$) мезоны в основном тратят свою энергию на ионизацию атомов. В дальнейшем потерявшие энергию $π^–$-мезоны захватываются на орбиту вокруг атомных ядер, образуя мезоатомы, и затем поглощаются ядрами, вызывая их деление.

Обнаружена и измерена поляризуемость пи-мезонов [что в настоящее время (2022) сделано для немногих элементарных частиц]. Будучи бесспиновыми (псевдоскалярными) частицами, пи-мезоны сами по себе не имеют ни электрического, ни магнитного момента, однако могут приобретать наведённый момент под действием внешних полей. Коэффициенты пропорциональности между приложенным полем и величиной наведённого момента называются соответственно электрической $α_π$ и магнитной $β_π$ поляризуемостями. Эти параметры до некоторой степени характеризуют силу взаимодействия между кварками в мезоне. Электрическая и магнитная поляризуемости заряженных пи-мезонов могут быть измерены в реакции комптоновского рассеяния $π^±+γ→π^±+γ$ или радиационного фоторождения $γ+N→N+π^±+γ$, где $\text {N}$ – нуклон). Поляризуемости $π^0$ мезонов могут быть измерены в реакции прямого или обратного эффекта Примакова $γ+γ→ π^0+π^0$ или $γ+N→ N+π^0+γ$. По совокупности измерений на 2022 г. электрическая поляризуемость заряженного пи-мезона принимается равной 2,0·10^–43 см³ (в предположении, что $α_π + β_π = 0$). Это значение хорошо согласуется с теоретическими расчётами.

Пи-мезоны рождаются в космических лучах при столкновениях высокоэнергичных первичных частиц (протонов и лёгких ядер) с ядрами атомов воздуха; в лабораторных условиях пи-мезоны во множестве образуются в столкновениях частиц на ускорителях или возникают в результате распада более тяжёлых адронов. Получаемые на ускорителях искусственные пучки пи-мезонов (с энергией до нескольких сотен ГэВ) используются для изучения структуры элементарных частиц и механизмов их взаимодействия. Распады образовавшихся на ускорителях пи-мезонов в свою очередь могут использоваться для создания мюонных и нейтринных пучков, также необходимых для исследования элементарных частиц.