Pion - Pion
 A estrutura de quark do píon carregado positivamente.
| |
| Composição | |
|---|---|
| Estatisticas | Bosônico |
| Família | Mésons |
| Interações | Forte , fraco , eletromagnético e gravitacional |
| Símbolo |
π+ , π0 , e π- |
| Antipartícula | |
| Teorizado | Hideki Yukawa (1935) |
| Descoberto | |
| Tipos | 3 |
| Massa | |
| Vida média | |
| Carga elétrica | |
| Carga de cor | 0 |
| Rodar | 0 |
| Isospin | |
| Hypercharge | 0 |
| Paridade | -1 |
| Paridade C | +1 |
Na física de partículas , um píon (ou um méson pi , denotado pela letra grega pi :
π
) é qualquer uma das três partículas subatômicas :
π0
,
π+
, e
π-
. Cada píon consiste em um quark e um antiquark e, portanto, é um méson . Píons são os mésons mais leves e, mais geralmente, os hádrons mais leves . Eles são instáveis, com os píons carregados
π+
e
π-
decaindo após uma vida útil média de 26,033 nanossegundos (2,6033 × 10 -8 segundos), e o píon neutro
π0
decaindo após uma vida útil muito mais curta de 85 attossegundos (8,5 × 10 −17 segundos). Os píons carregados geralmente decaem em múons e neutrinos de múons , enquanto os píons neutros geralmente decaem em raios gama .
A troca de píons virtuais, junto com mésons vetoriais , rho e ômega , fornece uma explicação para a forte força residual entre os núcleons . Os píons não são produzidos em decadência radioativa , mas comumente ocorrem em colisões de alta energia entre hádrons . Os píons também resultam de alguns eventos de aniquilação de matéria-antimatéria . Todos os tipos de píons também são produzidos em processos naturais quando prótons de alta energia dos raios cósmicos e outros componentes hadrônicos dos raios cósmicos interagem com a matéria na atmosfera da Terra. Em 2013, a detecção de raios gama característicos originados da decadência de píons neutros em dois remanescentes de supernova mostrou que píons são produzidos copiosamente após supernovas, muito provavelmente em conjunto com a produção de prótons de alta energia que são detectados na Terra como raios cósmicos.
O píon também desempenha um papel crucial na cosmologia, ao impor um limite superior às energias dos raios cósmicos que sobrevivem às colisões com a radiação cósmica de fundo , através do limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin .
História
O trabalho teórico de Hideki Yukawa em 1935 previu a existência de mésons como as partículas portadoras da força nuclear forte . Do alcance da força nuclear forte (inferida a partir do raio do núcleo atômico ), Yukawa previu a existência de uma partícula com massa de cerca de 100 MeV / c 2 . Inicialmente após sua descoberta em 1936, o múon (inicialmente chamado de "meson mu") foi pensado para ser esta partícula, pois tem uma massa de 106 MeV / c 2 . No entanto, experimentos posteriores mostraram que o múon não participava da interação nuclear forte. Na terminologia moderna, isso torna o múon um leptão , e não um méson. No entanto, algumas comunidades de astrofísicos continuam a chamar o múon de "meson-mu". Os píons, que acabaram sendo exemplos dos mésons propostos por Yukawa, foram descobertos mais tarde: os píons carregados em 1947 e o píon neutro em 1950.
Em 1947, os primeiros mésons verdadeiros, os píons carregados, foram encontrados pela colaboração liderada por Cecil Powell na Universidade de Bristol , na Inglaterra. O artigo de descoberta teve quatro autores: César Lattes , Giuseppe Occhialini , Hugh Muirhead e Powell. Como o advento dos aceleradores de partículas ainda não havia chegado, as partículas subatômicas de alta energia só podiam ser obtidas a partir de raios cósmicos atmosféricos . Emulsões fotográficas baseadas no processo de gelatina-prata foram colocadas por longos períodos em locais localizados em montanhas de grande altitude, primeiro no Pic du Midi de Bigorre nos Pirenéus , e depois em Chacaltaya na Cordilheira dos Andes , onde as placas foram atingidas por raios cósmicos. Após a revelação, as placas fotográficas foram inspecionadas ao microscópio por uma equipe de cerca de uma dúzia de mulheres. Marietta Kurz foi a primeira pessoa a detectar os rastros incomuns de "méson duplo", característicos de um píon que se decompõe em múon , mas eles estavam muito próximos da borda da emulsão fotográfica e considerados incompletos. Poucos dias depois, Irene Roberts observou os rastros deixados pela decomposição do píon que apareceram no documento de descoberta. Ambas as mulheres são creditadas nas legendas das figuras no artigo.
Em 1948, Lattes , Eugene Gardner , e a sua equipa primeiro produzido artificialmente piões na Universidade da Califórnia do ciclotrão em Berkeley, Califórnia , bombardeando carbono átomos com alta velocidade de partículas alfa . Outros trabalhos teóricos avançados foram realizados por Riazuddin , que em 1959 usou a relação de dispersão para espalhamento Compton de fótons virtuais em píons para analisar seu raio de carga.
O Prêmio Nobel de Física foi concedido a Yukawa em 1949 por sua previsão teórica da existência de mésons e a Cecil Powell em 1950 por desenvolver e aplicar a técnica de detecção de partículas usando emulsões fotográficas .
Visto que o píon neutro não é eletricamente carregado , é mais difícil de detectar e observar do que os píons carregados. Os píons neutros não deixam rastros nas emulsões fotográficas ou nas câmaras de nuvem de Wilson . A existência do píon neutro foi inferida da observação de seus produtos de decaimento dos raios cósmicos , um chamado "componente macio" de elétrons lentos com fótons. o
π0
foi identificado definitivamente no ciclotron da Universidade da Califórnia em 1950, observando sua decadência em dois fótons. Mais tarde no mesmo ano, eles também foram observados em experimentos com balões de raios cósmicos na Universidade de Bristol.
... você sabe como Yukawa escolheu esta letra grega π? É por causa de um caractere chinês. Em chinês ... este caractere 介 significa mediar. E então Yukawa obviamente pensava no méson como um mediador entre os núcleons.
Possíveis aplicações
O uso de píons na radioterapia médica, como para o câncer, foi explorado em várias instituições de pesquisa, incluindo o Centro de Física Meson do Laboratório Nacional de Los Alamos , que tratou 228 pacientes entre 1974 e 1981 no Novo México , e o TRIUMF laboratório em Vancouver, British Columbia .
Visão geral teórica
No entendimento padrão da interação de força forte, conforme definido pela cromodinâmica quântica , os píons são vagamente retratados como bósons de Goldstone de simetria quiral espontaneamente quebrada . Isso explica por que as massas dos três tipos de píons são consideravelmente menores do que as dos outros mésons, como os escalares ou vetoriais. Se seus quarks atuais fossem partículas sem massa, isso poderia tornar a simetria quiral exata e, portanto, o teorema de Goldstone ditaria que todos os píons teriam massa zero.
Na verdade, ele foi mostrado por Gell-Mann, Oakes e Renner (GMOR) que o quadrado da massa pion é proporcional à soma das massas dos quarks vezes o condensado quark : , com o condensado quark. Isso é frequentemente conhecido como relação GMOR e mostra isso explicitamente no limite de quark sem massa. O mesmo resultado também segue da holografia de frente de luz .
Empiricamente, uma vez que os quarks leves realmente têm massas não nulas, os píons também têm massas em repouso não nulas . No entanto, essas massas são quase uma ordem de magnitude menores do que a dos núcleons, aproximadamente m π ≈√ vm q / f π ≈ √ m q 45 MeV, onde m q são as massas de quarks de corrente relevantes em MeV, em torno de 5−10 MeV.
O píon pode ser pensado como uma das partículas que medeiam a forte interação residual entre um par de núcleons . Essa interação é atraente: ela une os núcleons. Escrito de uma forma não relativística, é chamado de potencial Yukawa . O píon, sendo sem spin, tem cinemática descrita pela equação de Klein-Gordon . Nos termos da teoria quântica de campo , a teoria de campo efetiva Lagrangiana que descreve a interação píon-nucléon é chamada de interação de Yukawa .
As massas quase idênticas de
π±
e
π0
indicam que deve haver uma simetria em jogo: essa simetria é chamada de simetria de sabor SU (2) ou isospin . A razão de haver três píons,
π+
,
π-
e
π0
, é que se entende que estes pertencem à representação tripla ou à representação adjunta 3 de SU (2). Em contraste, os quarks up e down se transformam de acordo com a representação fundamental 2 de SU (2), enquanto os anti-quarks se transformam de acordo com a representação conjugada 2 * .
Com a adição do quark estranho , os píons participam de uma simetria de sabor maior, SU (3), na representação adjunta, 8 , de SU (3). Os outros membros desse octeto são os quatro kaons e o meson eta .
Os píons são pseudoescalares sob uma transformação de paridade . As correntes de píons se acoplam à corrente do vetor axial e, portanto, participam da anomalia quiral .
Propriedades básicas
Os píons, que são mésons com spin zero , são compostos de quarks de primeira geração . No modelo de quark , um quark up e um quark anti- down constituem um
π+
, enquanto um quark down e um quark anti- up compõem o
π-
, e essas são as antipartículas umas das outras. O píon neutro
π0
é uma combinação de um quark up com um quark anti-up ou um quark down com um quark anti-down. As duas combinações têm números quânticos idênticos e, portanto, só são encontradas em superposições . A superposição de energia mais baixa deles é o
π0
, que é sua própria antipartícula. Juntos, os píons formam um trio de isospin . Cada píon tem isospin ( I = 1) e isospin de terceiro componente igual à sua carga ( I z = +1, 0 ou -1).
O píon carregado decai
o
π±
mesões têm uma massa de139,6 MeV / c 2 e uma vida útil média de2,6033 × 10 -8 s . Eles decaem devido à interação fraca . O modo de decaimento primário de um píon, com uma fração de ramificação de 0,999877, é um decaimento leptônico em um múon e um neutrino de múon :
O segundo modo de decaimento mais comum de um píon, com uma fração de ramificação de 0,000123, é também um decaimento leptônico em um elétron e o antineutrino do elétron correspondente . Este "modo eletrônico" foi descoberto no CERN em 1958:
A supressão do modo de decaimento eletrônico em relação ao muônico é dada aproximadamente (até alguns efeitos percentuais das correções radiativas) pela razão das meias-larguras do píon-elétron e as reações de decaimento píon-múon,
e é um efeito de spin conhecido como supressão de helicidade .
Seu mecanismo é o seguinte: o píon negativo tem spin zero; portanto, o leptão e o antineutrino devem ser emitidos com spins opostos (e momentos lineares opostos) para preservar o spin zero líquido (e conservar o momento linear). No entanto, como a interação fraca é sensível apenas ao componente quiralidade esquerdo dos campos, o antineutrino sempre deixou a quiralidade , o que significa que é destro, pois para antipartículas sem massa a helicidade é oposta à quiralidade. Isso implica que o leptão deve ser emitido com spin na direção de seu momento linear (ou seja, também com a mão direita). Se, no entanto, os léptons não tivessem massa, eles apenas interagiriam com o píon na forma canhota (porque para partículas sem massa a helicidade é o mesmo que a quiralidade) e esse modo de decaimento seria proibido. Portanto, a supressão do canal de decaimento do elétron vem do fato de que a massa do elétron é muito menor do que a do múon. O elétron é relativamente sem massa em comparação com o múon e, portanto, o modo eletrônico é bastante suprimido em relação ao muônico, virtualmente proibido.
Embora esta explicação sugira que a violação da paridade está causando a supressão da helicidade, a razão fundamental reside na natureza vetorial da interação que dita uma destreza diferente para o neutrino e o leptão carregado. Assim, mesmo uma interação de conservação de paridade produziria a mesma supressão.
As medições da relação acima foram consideradas durante décadas como um teste de universalidade do leptão . Experimentalmente, essa proporção é1,233 (2) × 10 −4 .
Além dos decaimentos puramente leptônicos de píons, alguns decaimentos leptônicos radiativos dependentes da estrutura (isto é, decaimento para os leptons usuais mais um raio gama) também foram observados.
Também observado, apenas para píons carregados, é o muito raro " decaimento do píon beta " (com fração de ramificação de cerca de 10-8 ) em um píon neutro, um elétron e um antineutrino de elétron (ou para píons positivos, um píon neutro, um pósitron e neutrino de elétron).
A taxa na qual os píons decaem é uma quantidade proeminente em muitos subcampos da física de partículas, como a teoria de perturbação quiral . Esta taxa é parametrizada pela constante de decaimento do píon ( ƒ π ), relacionada à sobreposição da função de onda do quark e do antiquark, que é sobre130 MeV .
O píon neutro decai
o
π0
mesão tem uma massa de 135,0 MeV / c 2 e uma vida útil média de8,5 × 10 −17 s . Ele decai por meio da força eletromagnética , o que explica por que sua vida útil média é muito menor do que a do píon carregado (que só pode decair por meio da força fraca ).
O dominante
π0
modo de decaimento, com uma razão de ramificação de BR 2γ = 0,98823, é em dois fótons :
π0→ 2
γ
.
A decadência
π0
→ 3
γ
(bem como decai em qualquer número ímpar de fótons) é proibido pela simetria C da interação eletromagnética: A paridade C intrínseca do
π0
é +1, enquanto a paridade C de um sistema de n fótons é (−1) n .
O segundo maior
π0
modo de decaimento ( BR γe e = 0,01174 ) é o decaimento de Dalitz (em homenagem a Richard Dalitz ), que é um decaimento de dois fótons com uma conversão interna de fótons resultando em um fóton e um par elétron - pósitron no estado final:
O terceiro maior modo de decaimento estabelecido ( BR 2e2 e =3,34 × 10 −5 ) é o decaimento de Dalitz duplo, com ambos os fótons passando por conversão interna, o que leva a uma maior supressão da taxa:
π0→
e-+
e++
e-+
e+
.
O quarto maior modo de decaimento estabelecido é o modo de decaimento leptônico induzido por loop e, portanto, suprimido (e adicionalmente suprimido por helicidade ) ( BR e e =6,46 × 10 −8 ):
π0→
e-+
e+
.
O píon neutro também foi observado decaindo em positrônio com uma fração de ramificação da ordem de 10-9 . Nenhum outro modo de decaimento foi estabelecido experimentalmente. As frações ramificadas acima são os valores centrais do PDG , e suas incertezas são omitidas, mas estão disponíveis na publicação citada.
Nome da partícula |
Símbolo de partícula |
Símbolo de antipartícula |
Conteúdo Quark |
Massa de repouso ( MeV / c 2 ) | I G | J P C | S | C | B ' | Vida ( s ) média ( s ) | Normalmente decai para (> 5% dos decaimentos) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pion |
π+ |
π- |
você d |
139,570 39 ± 0,000 18 | 1 - | 0 - | 0 | 0 | 0 | 2,6033 ± 0,0005 × 10 −8 |
µ+ + ν µ |
| Pion |
π0 |
Auto | 134,976 8 ± 0,000 5 | 1 - | 0 - + | 0 | 0 | 0 | 8,5 ± 0,2 × 10 −17 |
γ + γ |
[a] ^ Make-up inexato devido a massas de quark diferentes de zero.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Gerald Edward Brown e AD Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction (1976), North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9
