π介子
在粒子物理學中，π介子是以下三種次原子粒子之一：π+、π0和π−。π介子是最重要的介子之一，在揭示強核力的低能量特性中起著重要的作用。
 π介子的夸克構成。 | |
| 組成 | π+：ud π0：dd / uu π−：du |
|---|---|
| 系 | 玻色子 |
| 基本交互作用 | 強、弱、電磁力、重力 |
| 符號 | π+、π0和π− |
| 理論 | 湯川秀樹 |
| 類型 | 3 |
| 質量 | π±：139.57018(35) MeV/c2 π0：134.9766(6) MeV/c2 |
| 平均壽命 | π±：2.6×10-8s π0：8.4×10-17s |
| 電荷 | π±：±e π0：0 |
| 自旋 | 0 |
基本性質
π介子擁有0自旋，由第一代夸克組成。在夸克模型中，一個上夸克和一個反下夸克構成一個π+，一個下夸克和一個反上夸克構成一個π−，它們互為反粒子。中性的組合——上夸克和反上夸克、下夸克和反下夸克組成π0，它們擁有相同的量子數，因而只能在疊加中出現。最低能量的疊加是π0，它的反粒子就是自己。
帶電π介子衰變
π±介子擁有139.6MeV/c2的質量，和2.6×10-8s的平均壽命。它們因弱作用而衰變。主要的衰變形式（占99.9877%）是純輕子型衰變，變成一個緲子和一個緲微中子。
π+ → μ+ + νμ π− → μ− + νμ
第二種衰變模式（占0.0123%）是衰變成一個電子和一個電微中子。（由歐洲核子研究組織在1958年發現）
π+ → e+ + νe π− → e- + νe
μM子型衰變對電子型衰變的抑制作用的係數大約是
除了純輕子型衰變，還有一種由結構決定的放射性輕子型衰變。這種β衰變非常少見（機率大約是10−8），最終生成一個中性π介子。
中性π介子衰變
π0介子的質量稍小，是135.0 MeV/c2，平均壽命則短得多，是8.4×10-17 s。它的衰變是由於電磁力的作用。它的主要衰變形式（占98.798%）是衰變成兩個光子。
π0 → 2 γ
它的第二種衰變方式（占1.198%）——達利茨衰變是衰變成一個光子和一對電子、正電子。
π0 → γ + e- + e+
π介子衰變的機率在粒子物理學的分支，如手徵微擾理論中非常重要。這個比率可由π介子衰變常量（ƒπ）表示，大約是90 MeV。
| 粒子名稱 | 粒子 符號 |
反粒子 符號 |
夸克 構成[1] |
靜止質量 （MeV/c2） | IG | JPC | S | C | B' | 平均壽命 (s) | 一般衰變產物 （>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] | π0 | 自身 | 134.976 6 ± 0.000 6 | 1− | 0−+ | 0 | 0 | 0 | 8.4 ± 0.6 × 10−17 | γ + γ |
歷史
湯川秀樹在1935年的理論工作預測到了存在攜帶強核力的介子。在核力的作用範圍內（猜想是原子核的半徑），湯川秀樹預測這種粒子的質量約為100 MeV/c²。緊接著，在1936年發現了緲子之後，人們曾認為這就是湯川秀樹預測的粒子——它的質量是106 MeV/c²。但是，接下來的實驗表明，緲子並不參與強核力的作用。用現在的術語來講，緲子是一種輕子，而非介子。
在1947年第一個真正的介子——帶電的π介子在塞西爾·鮑威爾、塞薩爾·拉特斯和朱塞佩·奧基亞利尼的合作下在布里斯托大學被發現。由於粒子加速器尚未誕生，高能量只能來自於大氣中的宇宙射線。研究者在很長一段時間之內都需要把感光乳膠放在海拔很高的地方（最初在庇里牛斯山的南日比戈爾峰，後來搬到了安第斯山的卡考塔亞峰），以讓它暴露在高能射線中。在覆蓋好這些實驗品之後，研究者通過顯微鏡觀察到了帶電粒子的蹤影。π介子最初被它們異常的「雙介子」特性而被確認——它們衰變成另一種「介子」（緲子）。1948年，拉特斯和尤金·加德納採用加利福尼亞大學伯克利分校的粒子加速器，用α粒子轟擊碳原子，成功地人造出π介子。
1949年，湯川秀樹因成功預測π介子而獲得諾貝爾物理學獎。次年，鮑威爾因發展了採用感光乳膠確定粒子的方法也獲得了同一獎項。
由於不帶電，中性π介子相對帶電的π介子來說很難發現：它在感光乳膠上沒有痕跡。它的存在是由它的衰變產物證明的——因此它被稱為電子和光子的「軟結合」。π0的衰變產物——2個光子在1950年被伯克利的加速器確認；同年英國布里斯托大學在宇宙射線氣球實驗中也發現了它。
π介子在宇宙論中也為宇宙射線能量增加了上限——GZK極限。
根據現代物理學對強交互作用的解釋（量子色動力學），π介子被認為是手徵對稱性破缺的戈德斯通玻色子的對應粒子。這解釋了π介子輕於其他介子（如η'介子，958 MeV/c²）的原因。根據戈德斯通定理的預測，如果構成它們的夸克沒有質量（符合手徵對稱性），那麼π介子的質量就為零。但是夸克實際上有一點質量，因此π介子質量也不大。
一些國家單位發現了π介子在輻射療法上的作用。這些單位包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室——它用這種療法在1974年至1981年間治療了228位病人[1][2]。
... 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]
參見
參考資料
- ^ C. Amsler et al.. (2008): Quark Model （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π± （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ C. Amsler et al.. (2008): Particle listings – π0 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4.
- ^ Zee, Anthony. Quantum Field Theory, Anthony Zee | Lecture 2 of 4 (lectures given in 2004). YouTube. aoflex. December 7, 2013 [2022-11-29]. （原始內容存檔於2022-11-29）. (quote at 57:04 of 1:26:39)
延伸閱讀
- Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction, (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9