ПИ-МЕЗО́НЫ

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 внутр. чёт­ность $P=–1$ и по­ло­жи­тель­ную за­ря­до­вую чёт­ность $C=+1$ у $π^0$-ме­зо­нов. Изо­то­пич. спин $I$ П.-м. ра­вен 1 (они об­ра­зу­ют изо­то­пич. три­плет). $G$-чёт­ность от­ри­ца­тель­на. П.-м. 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 греч. μέσος – сред­ний). П.-м. уча­ст­ву­ют во всех фун­дам. взаи­мо­дей­ст­ви­ях.

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

Рас­па­ды за­ря­жен­ных П.-м. обу­слов­ле­ны сла­бым взаи­мо­дей­ст­ви­ем и про­ис­хо­дят в осн. (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 П.-м. рас­па­да­ют­ся бла­го­да­ря элек­тро­маг­нит­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ям в осн. (98,82%) на два γ-кван­та ($π^0→γ+γ$) за вре­мя 8,4·10^–7 с. Чис­ленное зна­че­ние вре­ме­ни жиз­ни $π^0$-ме­зо­на по­слу­жи­ло до­пол­нит. ар­гу­мен­том в поль­зу су­ще­ст­во­ва­ния трёх цве­тов у квар­ков.

Су­ще­ст­во­ва­ние П.-м. с мас­сой ок. 150 МэВ по­сту­ли­ро­вал Х. Юка­ва в 1935 для объ­яс­не­ния ко­рот­ко­дей­ст­вую­ще­го ха­рак­те­ра и боль­шой ве­ли­чи­ны ядер­ных сил. При этом П.-м. от­во­ди­лась роль по­ля, от­вет­ст­вен­но­го за пе­ре­нос взаи­модей­ст­вий, ана­ло­гич­ная ро­ли фо­то­нов в элек­тро­ди­на­ми­ке. Ха­рак­тер­ная без­раз­мер­ная кон­стан­та пи­он-ну­клон­ной свя­зи $g^2/\hbar c≈14,6$ на 3 по­ряд­ка пре­вы­ша­ет без­раз­мер­ную кон­стан­ту элек­тро­маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вия $α=e^2/\hbar c≈1/137$ (здесь $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка, $c$ – ско­рость све­та, $g$ – кон­стан­та пи­он-ну­клон­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, $e$ – эле­мен­тар­ный элек­трич. за­ряд).

За­ря­жен­ные П.-м. экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­же­ны в 1947 по их рас­па­ду $π^+→ μ^++ν_μ$, за­ре­ги­ст­ри­ро­ван­но­му в ядер­ных фо­то­эмуль­си­ях под дей­ст­ви­ем кос­мич. лу­чей. В ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях за­ря­жен­ные П.-м. впер­вые по­лу­че­ны в 1948 на ус­ко­ри­те­ле в Берк­ли (США). Су­ще­ст­во­ва­ние ней­траль­ных П.-м. 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 П.-м.). Экс­пе­ри­мен­таль­но $π^0$-ме­зо­ны об­на­ру­же­ны в 1950 по ре­ги­ст­ра­ции $γ$-кван­тов от их рас­па­да: $π^0→γ+γ$; $π^0$-ме­зо­ны ро­ж­да­лись в столк­но­ве­ни­ях $γ$-кван­тов и про­то­нов с энер­ги­ей ок. 300 МэВ с атом­ны­ми яд­ра­ми.

Срав­ни­тель­но боль­шое вре­мя жиз­ни за­ря­жен­ных П.-м. по­зво­ля­ет им про­хо­дить по­сле сво­его ро­ж­де­ния мак­ро­ско­пич. рас­стоя­ния. При про­хо­ж­де­нии че­рез ве­ще­ст­во П.-м. в осн. 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.

П.-м. ро­ж­да­ют­ся в кос­мич. лу­чах при столк­но­ве­ни­ях вы­со­ко­энер­гич­ных пер­вич­ных час­тиц (про­то­нов и лёг­ких ядер) с яд­ра­ми ато­мов воз­ду­ха; в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях П.-м. во мно­же­ст­ве об­ра­зу­ют­ся в столк­но­ве­ни­ях час­тиц на ус­кори­те­лях или воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те рас­па­да бо­лее тя­жё­лых ад­ро­нов. По­лу­чае­мые на ус­ко­ри­те­лях ис­кусств. пуч­ки П.-м. (с энер­ги­ей до не­сколь­ких со­тен ГэВ) ис­поль­зу­ют­ся для изу­че­ния струк­ту­ры эле­мен­тар­ных час­тиц и ме­ха­низ­мов их взаи­мо­дей­ст­вия.