π介子

在粒子物理学中，π介子是以下三种次原子粒子之一：π⁺、π⁰和π⁻。π介子是最重要的介子之一，在揭示强核力的低能量特性中起着重要的作用。

π介子

π介子的夸克构成。
组成	π^+：ud π^0：dd / uu π^−：du
系	玻色子
基本相互作用	强、弱、電磁力、引力
符号	π^+、π^0和π^−
理论	汤川秀树
类型	3
质量	π^±：139.57018(35) MeV/c^2 π^0：134.9766(6) MeV/c^2
平均寿命	π^±：2.6×10^-8s π^0：8.4×10^-17s
電荷	π^±：±e π^0：0
自旋	0

基本性质

π介子拥有0自旋，由第一代夸克组成。在夸克模型中，一个上夸克和一个反下夸克构成一个π⁺，一个下夸克和一个反上夸克构成一个π⁻，它们互为反粒子。中性的组合——上夸克和反上夸克、下夸克和反下夸克组成π⁰，它们拥有相同的量子数，因而只能在叠加中出现。最低能量的叠加是π⁰，它的反粒子就是自己。

带电π介子衰变

 

π介子轻子型衰变的费曼图

π^±介子拥有139.6MeV/c²的质量，和2.6×10^-8s的平均寿命。它们因弱作用而衰变。主要的衰变形式（占99.9877%）是纯轻子型衰变，变成一个μ子和一个μ中微子。

π^+	→	μ^+	+	νμ
π^−	→	μ^−	+	νμ

第二种衰变模式（占0.0123%）是衰变成一个电子和一个电中微子。（由欧洲核子研究组织在1958年发现）

π^+	→	e^+	+	νe
π^−	→	e^-	+	νe

μM子型衰变对电子型衰变的抑制作用的系数大约是

${\displaystyle R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }^{2}-M_{e}^{2}}{M_{\pi }^{2}-M_{\mu }^{2}}}\right)^{2}}$ 

这是一种自旋效应，称为螺旋抑制。

除了纯轻子型衰变，还有一种由结构决定的放射性轻子型衰变。这种β衰变非常少见（几率大约是10⁻⁸），最终生成一个中性π介子。

中性π介子衰变

π⁰介子的质量稍小，是135.0 MeV/c²，平均寿命则短得多，是8.4×10^-17 s。它的衰变是由于电磁力的作用。它的主要衰变形式（占98.798%）是衰变成两个光子。

π^0

→

2 γ

它的第二种衰变方式（占1.198%）——达利茨衰变是衰变成一个光子和一对电子、正电子。

π^0

→

γ

+

e^-

+

e^+

π介子衰变的几率在粒子物理学的分支，如手征微扰理论中非常重要。这个比率可由π介子衰变常量（ƒ_π）表示，大约是90 MeV。

π介子

粒子名称	粒子 符号	反粒子 符号	夸克 构成^[1]	静止质量 （MeV/c^2）	I^G	J^PC	S	C	B'	平均寿命 (s)	一般衰变产物 （>5%）
π介子^[2]	π^+	π^−	ud	139.570 18(35)	1^−	0^−	0	0	0	2.6033 ± 0.0005 × 10^−8	μ^+ + νμ
π介子^[3]	π^0	自身	${\displaystyle {\tfrac {\mathrm {u{\bar {u}}} -\mathrm {d{\bar {d}}} }{\sqrt {2}}}}$ ^[a]	134.976 6 ± 0.000 6	1^−	0^−+	0	0	0	8.4 ± 0.6 × 10^−17	γ + γ

^[a] ^ 由于夸克质量非零而不准确。^[4]

历史

汤川秀树在1935年的理论工作预测到了存在携带强核力的介子。在核力的作用范围内（猜想是原子核的半径），汤川秀树预测这种粒子的质量约为100 MeV/c²。紧接着，在1936年发现了μ子之后，人们曾认为这就是汤川秀树预测的粒子——它的质量是106 MeV/c²。但是，接下来的实验表明，μ子并不参与强核力的作用。用现在的术语来讲，μ子是一种轻子，而非介子。

在1947年第一个真正的介子——带电的π介子在塞西尔·鲍威尔、塞萨尔·拉特斯和朱塞佩·奥基亚利尼的合作下在布里斯托尔大学被发现。由于粒子加速器尚未诞生，高能量只能来自于大气中的宇宙射线。研究者在很长一段时间之内都需要把感光乳胶放在海拔很高的地方（最初在比利牛斯山的南日比戈尔峰，后来搬到了安第斯山的卡考塔亚峰），以让它暴露在高能射线中。在覆盖好这些实验品之后，研究者通过显微镜观察到了带电粒子的踪影。π介子最初被它们异常的“双介子”特性而被确认——它们衰变成另一种“介子”（μ子）。1948年，拉特斯和尤金·加德纳采用加利福尼亚大学伯克利分校的粒子加速器，用α粒子轰击碳原子，成功地人造出π介子

1949年，汤川秀树因成功预测π介子而获得诺贝尔物理学奖。次年，鲍威尔因发展了采用感光乳胶确定粒子的方法也获得了同一奖项。

由于不带电，中性π介子相对带电的π介子来说很难发现：它在感光乳胶上没有痕迹。它的存在是由它的衰变产物证明的——因此它被称为电子和光子的“软结合”。π⁰的衰变产物——2个光子在1950年被伯克利的加速器确认；同年英国布里斯托尔大学在宇宙射线气球实验中也发现了它。

π介子在宇宙论中也为宇宙射线能量增加了上限——GZK极限。

根据现代物理学对强相互作用的解释（量子色动力学），π介子被认为是手征对称性破缺的戈德斯通玻色子的对应粒子。这解释了π介子轻于其他介子（如η'介子，958 MeV/c²）的原因。根据戈德斯通定理的预测，如果构成它们的夸克没有质量（符合手徵對稱性），那么π介子的质量就为零。但是夸克实际上有一点质量，因此π介子质量也不大。

一些國家单位发现了π介子在辐射疗法上的作用。这些单位包括洛斯阿拉莫斯国家实验室——它用这种疗法在1974年至1981年间治疗了228位病人[1]。

... Yukawa choose the letter π because of its resemblance to the Kanji character for 介, which means "to mediate". Due to the concept that the meson works as a strong force mediator particle between hadrons.^[5]

参见

• 介子素原子
• 粒子列表
• 夸克模型
• 明顯對稱性破缺

参考资料

1. C. Amsler et al.. (2008): Quark Model （页面存档备份，存于互联网档案馆）
2. C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π^± （页面存档备份，存于互联网档案馆）
3. C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π⁰ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
4. Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4. 
5. Zee, Anthony. Quantum Field Theory, Anthony Zee | Lecture 2 of 4 (lectures given in 2004). YouTube. aoflex. December 7, 2013 [2022-11-29]. （原始内容于2022-11-29）.  (quote at 57:04 of 1:26:39)

延伸阅读

• Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction, (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9

外部链接

• Mesons （页面存档备份，存于互联网档案馆） at the Particle Data Group
• Mesons （页面存档备份，存于互联网档案馆） at Hyperphysics