π介子

在粒子物理學中，π介子是以下三種亞原子粒子之一：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着重要的作用。

π介子

π介子的夸克構成。
組成	π+：ud π0：dd / uu π−：du
系	玻色子
基本相互作用	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介子輕子型衰變的費曼圖

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（佔99.9877%）是純輕子型衰變，變成一個緲子和一個緲中微子。

π+	→	μ+	+	νμ
π−	→	μ−	+	νμ

第二種衰變模式（佔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

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

這是一種自旋效應，稱為螺旋抑制。

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（佔98.798%）是衰變成兩個光子。

π0

→

2 γ

它的第二種衰變方式（佔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（ƒ_π）表示，大約是90 MeV。

π介子

粒子名稱	粒子 符號	反粒子 符號	夸克 構成	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	π+	π−	ud	139.570 18(35)	1−	0−	0	0	0	2.6033 ± 0.0005 × 10−8	μ+ + νμ
π介子	π0	自身	${\tfrac {\mathrm {u{\bar {u}}} -\mathrm {d{\bar {d}}} }{\sqrt {2}}}$[a]	134.976 6 ± 0.000 6	1−	0−+	0	0	0	8.4 ± 0.6 × 10−17	γ + γ

^[a] ^ 由於夸克質量非零而不準確。

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。緊接着，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（最初在比利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相互作用的解釋（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.

參見

• 介子素原子
• 粒子列表
• 夸克模型
• 明顯對稱性破缺

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

外部連結

• Mesons （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） at the Particle Data Group
• Mesons （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） at Hyperphysics