Peonía (partícula)

peonía ( ) $\pi ^{\pm }\quad (\pi ^{0})$

Una familia	bosón
Grupo	hadrón , mesón , pseudobosón de Goldstone , bosón pseudoescalar
Participa en interacciones	Fuerte , electromagnético , débil y gravitacional .
Antipartícula	${\ estilo de visualización \ pi ^ {\ mp} \ quad (\ pi ^ {0})}$
Número de tipos	3
Peso	cargado: 139,57061(24) MeV neutro: 134,9770(5) MeV
Toda la vida	cargado: 2,6033(5)⋅10 −8 s neutro: 8,20(0,24)⋅10 −17 s
Teóricamente justificado	Hideki Yukawa , en 1935
Descubierto	en 1947
Quién o qué lleva el nombre	Griego πῖ - letra pi y μέσον - medio
números cuánticos
Carga eléctrica	±1 (0)
número bariónico	0
Girar	0 ħ
Paridad	−1
giro isotópico	±1 (0)
Tercer componente de isospin débil	+1
Rareza	0
el encanto	0
Hipercarga	0
Hipercarga débil	0, -2; -1
Otras propiedades
Composición de quarks	cargado: neutro: $u{\bar {d)),d{\bar {u}}$ $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$
esquema de descomposición	μ + + ν μ (2 γ )
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Peonía , pi-mesón ( griego πῖ - letra pi y μέσον - medio ) - tres tipos de partículas subatómicas del grupo de los mesones . Denotado π 0 , π + y π − . Tienen la masa más pequeña entre los mesones. Inaugurado en 1947 . Son portadores de fuerzas nucleares entre nucleones en el núcleo. Los piones cargados normalmente se descomponen en un muón y un muón (anti) neutrino , los piones neutros en dos cuantos gamma .

Propiedades

Peonias de todo tipo:

consiste en un par de quark - antiquark de la primera generación;
tienen paridad negativa y espín cero (por lo tanto, estas partículas son pseudoescalares );
son pseudo -bosones de Goldstone ( bosones de Nambu - Goldstone con simetría rota espontáneamente ), por lo que son mucho más ligeros que otros mesones (por ejemplo, la masa del mesón η es 547,75 MeV / c² ) .

Tipos de mesones π , según el modelo de quarks:

cargado :
- el quark u y el quark anti - d forman elπ + ;
- El mesón π − , la antipartícula del mesón π + , consiste en el quark d y el quark anti - u .
Las combinaciones eléctricamente neutras ( u + anti- u ) y ( d + anti- d ) solo pueden existir como su superposición , ya que llevan el mismo conjunto de números cuánticos . El estado de energía más bajo de tal superposición es el mesón π 0 , que es su propia antipartícula (una partícula verdaderamente neutra , como un fotón ). Un pión neutro, que consiste en un quark y su antiquark correspondiente (más precisamente, de una superposición de tales estados), es uno de los tipos de onio $(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})/{\sqrt {2}}$ (estados ligados de una partícula y una antipartícula). Podría llamarse quarkonia , pero normalmente este término se refiere a sistemas de quarks pesados.

Todos los piones están formados por quarks y antiquarks de primera generación, por lo que tienen sabores cero , tanto explícitos como latentes: extrañeza S , encanto C , encanto B ′ y verdad T.

El radio de carga de los piones cargados es 0,659(4) fm [1] .

Sistemas piónicos relacionados

Un pión con carga negativa puede ser capturado por un núcleo atómico en una órbita similar a la de un electrón, y formar con él un átomo exótico de corta duración , el llamado átomo de pión .

Dos piones con cargas diferentes pueden formar un sistema enlazado: el pionio , un átomo exótico unido principalmente por la atracción de Coulomb. La vida útil de un sistema de este tipo (aproximadamente 3⋅10 −15 s) es mucho más corta que la vida útil de un solo pión cargado, ya que la partícula y la antipartícula que entran en él se aniquilan rápidamente entre sí, formando generalmente dos piones neutros, cada uno de los cuales luego se desintegra en dos fotones [ 2] .

Desintegración del mesón Pi

La desintegración de un pión neutro se debe a la interacción electromagnética , mientras que los piones cargados decaen a través de una interacción débil , cuya constante de acoplamiento es mucho más pequeña. Por lo tanto, las vidas medias de los piones neutros y cargados difieren significativamente.

Cobrado

Los mesones tienen una masa de 139,57061(24) MeV/ c² y una vida útil relativamente larga , según los estándares nucleares : 2,6033(5)⋅10 −8 segundos [3] . El canal dominante (con una probabilidad de 99,98770(4)%) es el canal de desintegración en un muón y un muón neutrino o antineutrino : $\pi^{+},\pi^{-}$

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

\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }.

El siguiente canal más probable para la desintegración de los piones cargados es la variante radiativa (es decir, acompañada de un cuántico gamma) de la desintegración anterior ( y ), que se produce solo en el 0,0200 (25) % de los casos [3] . Luego viene la desintegración fuertemente suprimida (0.01230(4)%) en un positrón y un neutrino electrónico ( ) para un pión positivo y en un electrón y un antineutrino electrónico ( ) para un pión negativo [3] . La razón de la supresión de las desintegraciones "electrónicas" en comparación con las desintegraciones de "muones" es la preservación de la helicidad de las partículas ultrarrelativistas que surgen en las desintegraciones "electrónicas": la energía cinética tanto de un electrón como de un neutrino en esta desintegración es mucho mayor que su masas, por lo tanto, su helicidad (con buena precisión) se conserva, y la descomposición se suprime, con respecto al modo muón, por un factor: $\pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }+\gamma$ $\pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }+\gamma$ $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }-M_{e}}{M_{\pi }-M_{\ mu }}}\derecho)^{2}.

Las medidas de este factor permiten comprobar la presencia de posibles pequeñas impurezas dextrógiras en corrientes cargadas levógiras ( V − A ) en la interacción débil.

Como en el caso de las desintegraciones de muones, las desintegraciones de electrones radiativos ( y ) están fuertemente suprimidas en comparación con las no radiativas, su probabilidad es solo 7.39(5)⋅10 −5 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+\gamma$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma$

Aún más fuertemente suprimida en la probabilidad (1.036(6)⋅10 −6 %) está la descomposición de un pión positivo en un pión neutro, un positrón y un neutrino electrónico ( ) y un pión negativo en un pión neutro, un electrón y un neutrino. antineutrino electrónico ( ) [3] . La supresión de este decaimiento se explica por la ley de conservación del vector corriente en la interacción débil [4] . ${\displaystyle \pi ^{+}\to \pi ^{0}+e^{+}+\nu _{e))$ ${\displaystyle \pi ^{-}\to \pi ^{0}+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$

Finalmente, se ha descubierto otro tipo de desintegración de piones cargados. En este caso, los productos de la desintegración de un pión positivo son un positrón, un neutrino electrónico y un par electrón-positrón ( ), mientras que los de un pión negativo son un electrón, un antineutrino electrónico y un par electrón-positrón ( ). La probabilidad de tal decaimiento es 3.2(5)⋅10 −7 % [3] . $\pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+e^{+}+e^{-}$ $\pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+e^{+}+e^{-}$

Neutro

El pión neutro tiene una masa ligeramente inferior (134,9770(5) MeV/c² ) y una vida mucho más corta que los piones cargados: 8,52(18)⋅10 −17 segundos [ 3] . El principal (probabilidad 98.823(34) %) es el canal de decaimiento en dos fotones [3] : $\pi^0$

{\ estilo de visualización \ pi ^ {0} \ a 2 \ gamma.}

Cada uno de estos fotones se lleva una energía de 67,49 MeV (si el pión decaído estuviera en reposo).

El segundo en probabilidad (1.174(35)%) es el canal de desintegración en un fotón y un par electrón-positrón [3] :

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

(incluyendo un caso raro cuando un par electrón-positrón nace en un estado ligado - en forma de positronio ; la probabilidad de tal resultado es 1.82(29)⋅10 −7 % [3] ).

Los siguientes canales de desintegración de piones neutros en términos de probabilidad son desintegraciones sin radiación en dos (probabilidad 3.34(16)⋅10−3 ) %) y uno (6.46(33)⋅10−6 ) %) pares de electrones-positrones [3] :

\pi ^{0}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}+e^{-},

{\ estilo de visualización \ pi ^ {0} \ a e ^ {+} + e ^ {-}.}

Los canales de desintegración en cuatro fotones (limitados experimentalmente a menos de 2⋅10 −6 ) %) y en un par neutrino-antineutrino (menos de 2,7⋅10 −5 ) %) se han predicho pero aún no se han descubierto [3] .

Historial de descubrimientos

En el trabajo teórico de Hideki Yukawa en 1935, se predijo que existen partículas que portan la fuerza fuerte , los mesones (Yukawa propuso originalmente el nombre mesotron , pero fue corregido por Werner Heisenberg , cuyo padre enseñaba griego ).

Mesones pi cargados

En 1947, un equipo de investigadores dirigido por Cecil Frank Powell descubrió experimentalmente piones cargados . Dado que no había aceleradores lo suficientemente potentes para producir piones en ese momento, se llevó a cabo una búsqueda utilizando placas fotográficas elevadas por un globo a la estratosfera , donde fueron expuestas a los rayos cósmicos (también se instalaron placas fotográficas en las montañas, por ejemplo, en un laboratorio astrofísico en un volcán " Chacaltaya " en los Andes ). Tras el descenso del globo , se encontraron rastros de partículas cargadas en la emulsión fotográfica , entre las que se encontraban mesones. Por sus logros, Yukawa (en 1949 ) y Powell (en 1950 ) recibieron el Premio Nobel de Física .

Mesones pi eléctricamente neutros

Es mucho más difícil detectar un mesón neutro (ya que, debido a su neutralidad eléctrica, no deja rastros en emulsiones fotográficas y otros detectores de huellas). Fue identificado por sus productos de descomposición en 1950 . El tiempo de vida de los mesones neutros se determinó experimentalmente en 1963 [5] . $\pi^0$

Portadores de fuerza fuerte

Ahora se sabe (según la cromodinámica cuántica ) que la fuerza fuerte está mediada por gluones . Sin embargo, es posible formular la llamada teoría efectiva de la interacción de partículas intranucleares ( el modelo sigma ), en la que los piones son los portadores de las fuerzas nucleares de interacción. A pesar de que esta teoría (propuesta por Yukawa) solo es correcta en un cierto rango de energías, permite cálculos simplificados en ella y brinda explicaciones visuales [6] . Las fuerzas de interacción transportadas por los piones (como las fuerzas nucleares que unen los nucleones en un núcleo atómico ) se pueden describir de forma compacta utilizando el potencial de Yukawa .

Notas

↑ Tanabashi M. et al. (Grupo de datos de partículas). π ± (Inglés) // Phys. Rvdo. D. - 2018. - Vol. 98 . — Pág. 030001 .
↑ Adeva B. et al. Determinación de las longitudes de dispersión de ππ a partir de la medición de π + π − π + π − tiempo de vida del átomo // Physics Letters B . - 2011. - vol. 704 , edición. 1-2 . - P. 24-29 . -doi : 10.1016 / j.physletb.2011.08.074 . - . -arXiv : 1109.0569 . _
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tanabashi M. et al. (Grupo de datos de partículas). Mesones ligeros sin sabor ( S = C = B = 0) (inglés) // Phys. Rvdo. D. - 2018. - Vol. 98 . — Pág. 030001 .
↑ Yu . _ _ Academia Rusa de Ciencias, Instituto de Física de Altas Energías; edición L. G. Landsberg. - M. : Nauka, 2006. - S. 51-58. — (Monumentos de la ciencia nacional. Siglo XX). — ISBN 5-02-035321-3 .
↑ Perkins D. Introducción a la física de alta energía. - M .: Mir , 1975. - S. 85-88.
↑ Wentzel G. Introducción a la teoría cuántica de campos de ondas. - M. : OGIZ Tekhteorizdat, 1947. - S. 92-136.

Literatura

Bethe G. , Hoffman F. Mesones y campos. Volumen II. mesones. - M., IL , 1957. - 514 p.
Kirillov-Ugryumov V. G. , Nikitin Yu. P., Sergeev F. M. Átomos y mesones. - M., Atomizdat , 1980. - 216 p.

Enlaces

Propiedades experimentales de Charged Archivado el 29 de marzo de 2020 en Wayback Machine y Neutral Archivado el 29 de marzo de 2020 en Pion Wayback Machine ( sitio web de Particle Data Group ) .
Los físicos miden con precisión la vida útil del pión neutro Archivado el 29 de mayo de 2021 en Wayback Machine .

Partículas en física

partículas fundamentales

Fermiones

quarks	tu d s C b t
leptones	e -_ mi + μ − • μ + τ − • τ + neutrino ν mi • ν mi ν μ • ν μ ν τ • ν τ

bosones

Medir	γ gramo W ± •Z 0
Escalar	bosón de Higgs

partículas compuestas

hadrones

Bariones ( Hiperones )	Nucleones pags pags norte norte Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks
Mesones ( quarkonia )	π η • η′ pags ω φ J/ψ ϒ θ k B D T tetraquarks

Compuestos de partículas fundamentales y (o) compuestas

Común	núcleos atómicos deuterón Tritón Helión α átomos iones cationes aniones moléculas
Inusual	En física de hipernúcleos : Λ -hipernúcleos Hiperhidrógeno hipertritón Σ -hipernúcleos Átomos exóticos : Mesoátomos Muónico Hidrógeno muónico Hadrónico peonía Kaónico Antiprotón Σ -hiperónica átomos de leptón positronio muonio dimuonio protonio Peonía mesomolécula dipositronio