Перегляд вихідного коду сторінки Піони

{{Картка частинка
| колір_тла =
| назва = 
| зображення = [[Файл:Quark structure pion.svg|200px]]
| підпис = Кваркова структура піона
| число_типів = 3
| склад = 
| родина = 
| група = [[мезони]]
| покоління =
| взаємодії = [[сильна взаємодія|сильна]]
| частинка = 
| античастинка = 
| статус = 
| передбачена = [[Юкава Хідекі]]
| відкрита = 	[[Сесіль Френк Павелл|Сесіл Пауелл]], {{iw2|Сезар Латтес|||César Lattes}} та {{iw2|Джузеппе Окк'яліні|||Giuseppe Occhialini}} (1947)
| символ = <math>\pi^0, \ \pi^+, \ \pi^-</math>
| маса = <math>\pi^+, \pi^- : 139.57018(35)</math> М[[еВ]] <br/> <math>\pi^0 : 134.9766(6)</math> МеВ
| час_життя =
| розпадається_на =
| заряд =
| кольоровий_заряд =
| спін =
| число_спінових_станів =
}}
''Не плутати з [[Півонія]]''.
{{otheruses|Піон (значення)}}
'''Піони''' або '''пі-мезони'''&nbsp;— [[елементарна частинка|елементарні частинки]], які належать до родини [[мезони|мезонів]]. Існує нейтральний <math>\pi^0</math> і заряджені піони <math>\pi^+</math> та <math>\pi^-</math>. Усі піони нестабільні.

Піони мають нульовий [[спін]] і одиничний [[ізотопічний спін]]. Вони складаються з [[кварк]]ів та антикварків першого покоління.

<math>\pi^-</math> мезон є [[античастинка|античастинкою]] <math>\pi^+</math> мезона. <math>\pi^0</math> мезон є власною античастинкою. Разом усі три піони складають [[ізотопічний спін|ізотопічний]] [[Триплетний стан|триплет]].

== Зв'язок із кварками та канали розпаду ==
[[Маррі Гелл-Манн]] показав, що піони, разом із [[ета-мезон]]ом і [[Каони|каонами]], утворюють октет [[Спеціальна унітарна група|групи <math>\ SU(3)</math>]] (незвідне представлення <math>\ 8</math>). Він утворюється як прямий добуток фундаментальних представлень групи <math>\ SU(3)</math>, <math>\ 3 \otimes \bar{3} = 8 \oplus 1</math>, кожне із яких відповідає кваркам <math>\ u, d, s</math>. Точніше кажучи, піони складаються із двох кварків, <math>\ u, d</math>, та їх антикварків.

При низьких енергіях, коли КХД стає непертурбативною, кварки не можуть бути вільними. Вони об'єднуються у мезони і нуклони. Лагранжіан КХД ефективно можна переписати у термінах нуклонів та мезонів. У такому ефективному лагранжіані переносниками ядерних сил стають мезони. Закон взаємодії між нуклонами можна описати за допомогою юкавської взаємодії, <math>\ U(r) \sim \frac{e^{-\frac{r}{l}}}{r}</math>, де <math>\ l \sim \frac{1}{m_{\pi}}</math>&nbsp;— довжина екранування. Із таким законом взаємодії пов'язане явище насичення ядерних сил.

Час життя π<sup>0</sup>-мезону значно менший, ніж час життя заряджених піонів. Це пов'язано із структурою взаємодій у [[Стандартна модель|Стандартній моделі]]. Кварковий склад π<sup>0</sup> дозволяє йому розпадатись на фотони, у той час як кварковий склад заряджених піонів робить можливим розпад лише через <math>\ W</math>-бозон.

Розпад через <math>\ W</math>-бозон сильно пригнічений через його велику масу (а не через константу слабкої взаємодії, яка [[Електрослабка взаємодія|значно більша]] за електромагнітну константу, <math>\ e = gsin(\theta_{W})</math>). У результаті час життя заряджених піонів дуже великий (див. таблицю характеристик) і лише на два порядки більший за час життя мюонів (які не є сильно взаємодіючими частинками).

У випадку із нейтральним піоном наближена <math>\ SU(2) \otimes SU(2)</math>-симетрія (точніше, її незаряджена підгрупа <math>\ U(1) \otimes U(1)</math>, що відповідає перетворенням <math>\ u \to e^{i\gamma_{5}\alpha}u</math>, <math>\ d \to e^{-i\beta \gamma_{5}}d</math>), яка пов'язана із малістю мас <math>\ u, d</math>-кварків (з їхніх зарядово нейтральних комбінацій складається π<sup>0</sup>), здавалося б, повинна сильно пригнічувати амплітуду розпаду на два фотони. Проте експериментально було виявлено, що оцінка амплітуди розпаду <math>\ \pi^{0} \to 2 \gamma</math>, що базується на вірності наближеної <math>\ SU(2) \otimes SU(2)</math>-симетрії, дає значно більший час життя піону, ніж він є насправді. Вихід із цієї ситуації знайшли разом із відкриттям наявності у Стандартній моделі [[Кіральна аномалія|кіральних аномалій]], які явно порушують вказану симетрію і передбачають амплітуду розпаду піону, що узгоджується із експериментальною. У результаті час життя нейтральних піонів значно менший за час життя <math>\ \pi^{\pm}</math>.

{| class="wikitable sortable" style="text-align: center;"
|+Властивості піонів
|-
! class=unsortable|Назва
! Частинка <br/>символ
! Анти- <br/> частинка <br/>символ
! class=unsortable|Складові<br/>[[кварк]]и<ref name=PDGQuarkmodel>C. Amsler ''et al.''. (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/quarkmodrpp.pdf Quark Model]</ref>
! [[Маса спокою]] ([[електронвольт|МеВ]]/[[швидкість світла|c]]<sup>2</sup>)
! width="50"|[[Ізоспін|I]]<sup>[[G-парність|G]]</sup>
! width="50"|[[Повний момент|J]]<sup>[[Парність (фізика)|P]][[Зарядова парність|C]]</sup>
! width="50"|[[Дивність|S]]
! width="50"|[[Чарівність|C]]
! width="50"|[[Краса (квантове число)|B']]
! [[Час життя]] ([[секунда|с]])
! class=unsortable|Канали розпаду<br/>
(>5&nbsp;% розпадів)
|-
| Піон<ref name=PDGPion>C. Amsler ''et al.''. (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s008.pdf Particle listings&nbsp;— {{SubatomicParticle|Pion+-}}]</ref>
|align="center"| {{SubatomicParticle|Pion+}}
|align="center"| {{SubatomicParticle|Pion-}}
|align="center"| {{SubatomicParticle|link=yes|Up quark}}{{SubatomicParticle|link=yes|Down antiquark}}
|align="center"| 139.570&nbsp;18(35)
|align="center"| 1<sup>&minus;</sup>
|align="center"| 0<sup>&minus;</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| {{nowrap|2.6033 ± 0.0005 × 10<sup>−8</sup>}}
|align="center"| {{nowrap|{{SubatomicParticle|link=yes|Antimuon}} + {{SubatomicParticle|link=yes|Muon neutrino}}}}
|-
| Піон<ref name=PDGPion0>C. Amsler ''et al.''. (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s009.pdf Particle listings&nbsp;— {{SubatomicParticle|Pion0}}]</ref>
|align="center"| {{SubatomicParticle|Pion0}}
|align="center"| власна
|align="center"| <math>\tfrac{\mathrm{u\bar{u}} - \mathrm{d\bar{d}}}{\sqrt 2}</math><sup>{{ref|quarkcontent|[a]}}</sup>
|align="center"| 134.976&nbsp;6&nbsp;±&nbsp;0.000&nbsp;6
|align="center"| 1<sup>&minus;</sup>
|align="center"| 0<sup>&minus;+</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| {{nowrap|8.4 ± 0.6 × 10<sup>−17</sup>}}
|align="center"| {{nowrap|{{SubatomicParticle|link=yes|Photon}} + {{SubatomicParticle|link=yes|Photon}}}}
|-
|}
<sup>[a]</sup> {{note|quarkcontent}} Склад не точний, через ненульові маси кварків<ref>{{cite book|last=Griffiths|first=David J.|year=1987|title=Introduction to Elementary Particles|url=https://archive.org/details/introductiontoel0000grif_o7r4|isbn=0-471-60386-4|authorlink=David J. Griffiths|publisher=[[John Wiley & Sons]]}}</ref>.

== Пі-мезон як псевдоголдстоунівський бозон ==
З точки зору КХД лагранжіан <math>\ u-, d-</math>кварків має наближену симетрію відносно перетворень групи <math>\ SU(2) \otimes SU(2)</math>. Наявність симетрії пов'язана із їхніми малими масами. Ця симетрія, втім, є [[Спонтанне порушення симетрії|спонтанно порушеною]] (інакше для кожного одночастинкового стану існував би вироджений із ним стан із протилежною парністю і тими ж спіном, баріонним числом та дивністю).

[[Стівен Вайнберг|Стівеном Вайнбергом]], [[Джеффрі Голдстоун]]ом та [[Абдус Салам|Абдусом Саламом]] була доведена теорема, згідно із якою спонтанне порушення глобальної [[Неперервна симетрія|неперервної симетрії]] у теорії призводить до появи у спектрі частинок-розв'язків теорії безмасових бозонів спіну нуль із тими же квантовими числами, які має елемент струму, що відповідає порушеній симетрії,&nbsp;— так званих голдстоунівських бозонів. Їх кількість відповідає кількості генераторів порушеної групи симетрії. Якщо ж спонтанно порушена симетрія теорії порушена малим доданком у дії, іншими словами&nbsp;— є наближеною, то бозони набувають маси. В такому разі вони називаються псевдоголдстоунівськими бозонами.

Безмасовий лагранжіан <math>\ u-, d-</math>кварків (для простоти запису, що не зменшує коректність&nbsp;— без взаємодії),

<math>\ L = \bar{u}i\gamma^{\mu}\partial_{\mu}u + \bar{d}i\gamma^{\mu}\partial_{\mu}d</math>,

має симетрію відносно перетворень групи <math>\ SU(2) \times SU(2)</math>, що відповідає комбінованому кіральному перетворенню

<math>\ \begin{pmatrix} u \\ d\end{pmatrix} \to  \begin{pmatrix} u{'} \\ d{'}\end{pmatrix} = e^{iA_{a}t^{a} + i\gamma_{5}B_{a}t^{a}}\begin{pmatrix} u \\ d\end{pmatrix}, \quad t_{a} = \left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}\right)_{a}</math>.

Врахувавши масовий доданок у лагранжіані, можна дійти висновку, що ця симетрія (точніше, її кіральна підгрупа) явно порушена. Маси цих кварків, втім, є малими, тому на високих енергіях масовим доданком можна знехтувати; в результаті на високих енергіях симетрія відновлюється. Тому, як написано вище, експериментально повинно було спостерігатися дублювання по кількості станів, чого немає. У результаті природним є твердження, що ця група симетрії (її кіральна підгрупа) спонтанно порушена до <math>\ SU(2)\times SU(2)/SU(2)_{ch}</math>. Відповідно, в теорії з'являються псевдоголдстоунівські бозони. Згідно із теоремою про голдстоунівські бозони, їхня кількість дорівнює кількості генераторів порушеної групи симетрії&nbsp;— трьом. Теорія також передбачає, що маси заряджених піонів однакові і відрізняються на маленьку поправку від маси нейтрального бозона. Ці бозони і є піонами.

Аналогічним чином можна розглянути лагранжіан <math>\ u-, d-,s-</math>кварків. У дуже грубому наближенні лагранжіан має <math>\ SU(3) \otimes SU(3)</math>-симетрію (при досить високих енергіях, втім, ця симетрія стає дедалі більш точною). Її спонтанне порушення до <math>\ SU(3)\times SU(3)/SU(3)_{ch} </math>-симетрії призводить до появи восьми (а саме такою є кількість генераторів порушеної групи <math>\ SU(3)</math>) псевдоголдстоунівських бозонів&nbsp;— квартету каонів, ета-мезону та триплету піонів.

== Примітки ==
{{reflist}}

{{Частинки}}

[[Категорія:Мезони]]