БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ПИ)

t p 0= (0,84 ± 0,10)×10 -16 сек,

= (134,9645 ± 0,0074) Мэв/с 2» 273 m e.

Пионы обладают изотопическим спином I = 1 и, следовательно, образуют изотопический триплет: с тремя возможными «проекциями» изотопического спина I з = + 1,0,—1 сопоставляются три зарядовых состояния пионов: p+, p o, p -(см. Изотопическая инвариантность ) . В схеме классификации адронов пионы совместно с h-мезоном и К-мезонами (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. Например, реакция p + p ® p + p + p не может протекать за счёт сильного взаимодействия, в котором G-чётность сохраняется, а распад p 0-мезонов возможен только на чётное число фотонов из-за сохранения зарядовой чётности в электромагнитном взаимодействии (фотон имеет отрицательную 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, например, в графите для p -мезонов около 13 см при энергии 200 Мэв и около 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 p +или p -с энергией 15 Мэв равен примерно 4,7 мм. При этом остановившийся p + распадается на положительный мюон и нейтрино ( рис. 2 ), p -захватывается ближайшим атомом, образуя мезоатом; последующий ядерный захват p --мезона происходит с мезоатомных орбит и приводит к расщеплению ядра ( рис. 1 , б) .

p-мезоны в значительной степени определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы. Являясь основными 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, p + - и p --мезоны создают проникающую компоненту космического излучения — мюоны и нейтрино высоких энергий, а p 0-мезоны — электронно-фотонную компоненту.

История открытия.Гипотеза о существовании пионов как «переносчика» ядерных сил была высказана японским физиком Х. 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 p-мезонами) должна составлять около 300 электронных масс. Частицы приблизительно такой массы были обнаружены в 1936—37 в космических лучах. Однако они не обладали свойствами частиц, предсказанных Юкавой (см. Мюон ) . Поиски заряженных p-мезонов увенчались успехом лишь в 1947, когда английскими учёными С. Латтесом, Х. Мюирхедом, Дж. Оккиалини и С. Ф. Пауэллом были найдены в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами на большой высоте над поверхностью Земли, треки частиц, свидетельствующие о распаде p +® m ++ n m( 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 p°-мезоны были впервые обнаружены в 1950 по g-квантам от их распада; p 0рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (около 330 Мэв ) с ядрами. Обладая массой покоя m p, пионы требуют для своего образования («рождения») затраты энергии, не меньшей их энергии покоя m pс 2 . Так, для протекания реакции р + р ® р + р + p 0необходимо, чтобы кинетическая энергия налетающего протона р превышала пороговую энергию, которая в лабораторной системе координат составляет около 282 Мэв. Пороговая энергия образования пионов на тяжёлых ядрах ниже, чем на протонах, и близка к m pс 2.

Источники пионов.Одним из важнейших источников пионов в природе, как уже говорилось, являются космические лучи. Под действием первичной компоненты космических лучей пионы рождаются в верхних слоях атмосферы, но из-за ядерного поглощения и распада до уровня моря доходит лишь их незначительная часть. Исследования космических лучей на высокогорных станциях и с помощью аппаратов, вынесенных в верхние слои атмосферы и космическое пространство, дают важные сведения о пионах и их взаимодействиях. Однако количественное изучение свойств пионов выполняется преимущественно 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. Современные ускорители создают пучки пионов высокой энергии (десятки Гэв ) с потоками ~ 10 7пионов в 1 сек, а так называемые «мезонные фабрики» (сильноточные ускорители на энергии ~ 1 Гэв ) должны давать потоки до 10 10пионов в 1 сек. Пучки быстрых заряженных пионов, которые проходят до распада десятки и сотни м, обычно транспортируются к месту изучения их свойств и взаимодействий по специальным вакуумным каналам. На рис. 3 изображена схема установки для получения и исследования p --мезонов.

Пучки получаемых на ускорителях p --мезонов начинают применять в лучевой терапии. Продукты распада пионов (мюоны, нейтрино, фотоны, электроны и позитроны) используются для изучения слабых и электромагнитных взаимодействий.

Взаимодействия пионов.Наиболее специфичным для p-мезонов является сильное взаимодействие, которое характеризуется максимальной симметрией (выполнением наибольшего числа законов сохранения), малым радиусом действия сил (£ 10 -13 см ) и большой константой взаимодействия ( g ) . Так, безразмерная константа, характеризующая связь пионов с нуклонами, g 2/ c » 14,6 в тысячи раз превышает безразмерную константу электромагнитного взаимодействия