파이온

파이온

양극으로 충전된 파이온의 쿼크 구조.
구성	π+ : u d π0 : uu 또는 dd π− : d u
통계	보소닉
가족	메손스
상호작용	강력, 약함, 전자기 및 중력
기호	π+ , π0 , π−
항정신병자	π+ : π− π0 : 자아
이론화된	유카와 히데키(1935년)
발견된	π± : 세사르 라테스, 주세페 오치알리니(1947), 세실 파월 π0 : 1950
종류들	3
미사	π± : 139.57039(18) MeV/c2[1] π0 : 134.9768(5) MeV/c2[1]
평균 수명	π± : 2.6×10초−8 π0 : 8.5×10초−17
전하	π± : ±1 e π0 : 0 e
색전하	0
스핀	0
이소스핀	π± : ±1 π0 : 0
과충전	0
패리티	-1
C 패리티	+1

입자물리학에서 파이온(또는 그리스 문자 pi: π
)은 π⁰
, π⁺
, π의⁻
세 아원자 입자 중 하나이다.각각의 파이온은 쿼크와 골동품으로 이루어져 있으며 따라서 메손이다.피온은 가장 가벼운 중간자이고, 더 일반적으로는 가장 가벼운 하이드론이다.충전된 피온이⁻
평균⁺
수명 26.033나노초(2.6033×10초⁻⁸) 후에 부패하고, 중립 파이온이 85나노초(8.5×10초⁻¹⁷)보다 훨씬 짧은 수명을 가진 후에 부패하는⁰
등 불안정하다.^[1]충전된 피온은 대부분 뮤온과 뮤온 중성미자로 부패하는 반면, 중성 피온은 일반적으로 감마선으로 부패한다.

가상의 피온의 교환은 벡터, rho, 오메가 메손과 함께 핵들 사이의 잔류 강한 힘에 대한 설명을 제공한다.피온은 방사능 붕괴에서 생성되는 것이 아니라 일반적으로 하드론 사이의 고에너지 충돌에서 생성된다.피온은 또한 어떤 물질-항습자 섬멸 사건에서 비롯된다.모든 종류의 피온은 또한 고에너지 우주선 양성자와 다른 해드론 우주선 성분들이 지구 대기의 물질과 상호작용을 할 때 자연적인 과정으로 만들어진다.2013년, 두 개의 초신성 잔해에서 중성 피온의 붕괴로부터 기인하는 특성 감마선의 검출은 초신성 이후에 피온이 상당히 생성된다는 것을 보여주었는데, 대부분은 아마도 지구에서 우주 광선으로 감지되는 고에너지 양성자의 생산과 관련되어 있을 것이다.^[2]

파이온은 또한 그리슨-자트세핀-쿠즈민 한계를 통해 우주 마이크로파 배경과의 충돌에서 살아남는 우주 광선의 에너지에 상한을 부과함으로써 우주론에서도 결정적인 역할을 한다.

역사

1935년 유카와 히데키의 이론적 연구는 강한 핵력의 운반체 입자로서 메손의 존재를 예견했었다.강한 핵력의 범위(원자핵의 반지름으로부터 유입된)에서 유카와 교수는 약 100 MeV/c의² 질량을 가진 입자의 존재를 예측했다.초기에는 1936년 발견 후 뮤온(초기에는 "무 중간자"라고 불림)이 106 MeV/c의² 질량을 가지고 있기 때문에 이 입자로 생각되었다.그러나 이후 실험에서는 뮤온이 강력한 핵 상호작용에 참여하지 않았다는 것을 보여주었다.현대 용어로는, 이것은 뮤온이 아니라 렙톤이 되게 한다.하지만, 천체물리학자들의 일부 공동체는 뮤온을 계속해서 "mu-meson"이라고 부른다.유카와가 제안한 메손의 예로 밝혀진 이 피온은 1947년 충전된 피온과 1950년 중립 파이온 등 나중에 발견되었다.

1939~1942년 데벤드라 모한 보세와 비바 차우드후리는 인도 다르질링의 고고도 산악지대에서 일포드 반음 사진판을 노출시키고 알파 입자나 양성자의 선로와 다르게 보이는 긴 곡선의 이온화 트랙을 관찰했다.네이처에 발표된 일련의 논문에서, 그들은 평균 질량이 오늘날 피온이라고 알려진 전자 질량의 200배에 가까운 우주 입자를 확인했다.1947년 영국의 브리스톨 대학에서 세실 파월이 이끄는 협업에 의해 충전된 피온은 다시 독립적으로 발견되었다.이 발견 기사에는 세사르 라테스, 주세페 오치알리니, 휴 뮤어헤드, 파월 등 4명의 작가가 참여했다.^[3]입자 가속기의 등장은 아직 오지 않았기 때문에 고에너지 아원자 입자는 대기 우주광선에서만 얻을 수 있었다.젤라틴-실버 공정에 기반한 사진 유물은 고산지대에 위치한 장소, 처음에는 피레네 산맥의 피크뒤 미디 드 비고레, 나중에는 안데스 산맥의 차칼타야에 장기간 배치되었는데, 그 곳에서 우주선에 의해 판이 부딪혔다.현상 후, 사진 판들은 약 십여 명의 여성들로 구성된 팀에 의해 현미경으로 검사되었다.^[4]마리에타 쿠르즈는 파이온이 뮤온으로 부패하는 특징인 특이한 '이중 중간' 트랙을 최초로 발견한 사람이었지만, 그들은 사진 에멀전 가장자리에 너무 가까이 있었고 불완전하다고 여겨졌다.며칠 후, 아이린 로버츠는 발견지에 나타난 파이온 붕괴에 의해 남겨진 발자국을 관찰했다.두 여성 모두 그 기사의 인물 자막에서 인정받고 있다.

1948년 라테스, 유진 가드너, 그리고 그들의 팀은 캘리포니아 버클리의 캘리포니아 대학교 사이클로트론에서 탄소 원자에 초고속 알파 입자를 퍼부어 처음으로 인공적으로 피온을 생산했다.리아주딘은 1959년에 가상 광자의 가상 광자의 콤프턴 산란과 관련된 분산 관계를 이용하여 충전 반경을 분석하였다.^[5]

노벨물리학상은 1949년 유카와에게 메손의 존재를 이론적으로 예측한 공로로, 1950년 세실 파월에게 사진 유화를 이용한 입자 검출 기술을 개발하고 적용한 공로로 수여되었다.

중성 파이온이 전기적으로 충전되지 않기 때문에 충전된 피온보다 검출과 관찰이 더 어렵다.중립적인 피온은 사진 유화나 윌슨 구름 챔버에 흔적을 남기지 않는다.중성 파이온의 존재는 광자를 가진 느린 전자의 이른바 "부드러운 성분"인 우주광선으로부터 그것의 붕괴생물을 관찰한 것에서 유추되었다.π은⁰
1950년 캘리포니아 대학의 사이클로트론에서 두 개의 광자로 붕괴되는 것을 관찰함으로써 확실히 확인되었다.^[6]같은 해 말 브리스톨 대학의 우주선 풍선 실험에서도 관측되었다.

…유카와씨는 「중재한다」는 뜻의 介의 간지 문자와 닮았기 때문에 π자를 선택한다.메손이 하드론 사이의 강력한 힘 중재자 입자로 작용한다는 개념 때문이다.^[7]

가능한 응용 프로그램

1974년부터 1981년까지 뉴멕시코에서 228명의 환자를 치료한 로스 알라모스 국립 연구소의 메손 물리학 시설과 브리티시 컬럼비아 주 밴쿠버의 TRIUMF 연구소를 비롯한 다수의 연구기관에서 암과 같은 의료 방사선 치료에 피온의 사용을 탐구하였다.^[8]

이론 개요

양자 색역학에서 정의한 강한 힘의 상호작용에 대한 표준 이해에서, 피온은 자연적으로 파괴된 치르탈 대칭의 골드스톤 보손으로 느슨하게 묘사된다.그래서 세 종류의 피온의 질량이 스칼라나 벡터 메온과 같은 다른 메온의 질량보다 상당히 적은 것이다.만약 그들의 현재 쿼크가 질량이 없는 입자라면, 그것은 치랄 대칭을 정확하게 만들 수 있고 따라서 골드스톤 정리는 모든 피온이 질량이 0이라는 것을 지시할 것이다.

실제로 겔만, 오케스, 레너(GMOR)^[9]는 파이온 질량의 제곱이 쿼크 질량의 합에 비례한다는 것을 쿼크 응축수의 곱에 비례한다는 것을 보여주었다.${\displaystyle M_{\pi }^{2}=(m_{u}+m_{d})B+{\mathcal {O}}(m^{2})}$, with ${\displaystyle B=\vert \langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle /f_{\pi }^{2}\vert _{m_{q}\to 0}}$ the quark condensate.이는 흔히 GMOR 관계라고 하며, M ${\displaystyle \mathrm{\pi }{}_{}}$= 0 $[\displaystyle M_{\pi }=0}$을(를) 무중량 쿼크 한계로$$ 명시적으로 나타낸다.라이트프론트 홀로그래피에서도 같은 결과가 나온다.^[10]

경험적으로, 가벼운 쿼크는 실제로 0이 아닌 미세한 질량을 가지고 있기 때문에, 피온은 0이 아닌 휴식 질량도 가지고 있다.그러나, 그러한 질량은 거의 핵의 질량보다 작은 크기, 대략_π m ≈이다.√v m_q / f_π √m_q 45 MeV, 여기서 m은_q 5-10 MeV 정도 MeV의 관련 전류 쿼크 질량이다.

파이온은 한 쌍의 핵들 사이의 잔류 강한 상호작용을 중재하는 입자의 하나로 생각할 수 있다.이 상호작용은 매력적이다: 그것은 핵들을 함께 끌어당긴다.비관계적 형태로 쓰여 유카와 전위라고 한다.스핀이 없는 파이온은 클라인-고든 방정식으로 기술된 운동학을 가지고 있다.양자장 이론의 용어로, 파이온과 핵의 상호작용을 기술하는 유효장 이론 라그랑지안을 유카와 상호작용이라고 한다.

거의^±
동일한 질량의⁰
masses과 masses은 놀이 중에 대칭성이 있어야 함을 나타낸다: 이 대칭을 SU(2) 향미 대칭 또는 이소스핀이라고 한다.π⁺
, π⁻
, π⁰
, three 등 3개의 피온이 있는 이유는 이들이 SU(2)의 3중 대표 또는 부선 대표 3에 속하는 것으로 이해되기 때문이다.대조적으로 위아래 쿼크는 SU(2)의 기본 표현 2에 따라 변하지만, 안티 쿼크는 결합 표현 2*에 따라 변한다.

이상한 쿼크를 추가하면, 피온은 향미 대칭인 더 큰 SU(3)로, SU(3)의 8이라는 부선 표현에 참여한다.이 옥텟의 다른 멤버는 네 마리의 카온과 에타 메손이다.

Pion은 패리티 변환에 따른 유사칼라다.따라서 파이온 전류는 축방향 벡터 전류와 결합되므로 치랄 이상에 참여한다.

기본 속성

스핀이 제로인 피온은 1세대 쿼크로 구성된다.쿼크 모델에서는 업 쿼크와 다운 방지 쿼크가 π을⁺
구성하고, 다운 쿼크와 안티업 쿼크가 make을⁻
구성하며, 이것들은 서로의 안티파티클이다.중립 파이온 π은⁰
반업 쿼크가 있는 업 쿼크 또는 반 다운 쿼크가 있는 다운 쿼크의 조합이다.이 두 조합은 동일한 양자수를 가지며, 따라서 그것들은 단지 상추에서만 발견된다.이것들 중 가장 낮은 에너지 중첩은 π인데⁰
, π은 그 자체로 대척점이다.피온은 함께 이소핀의 세 쌍을 형성한다.각 파이온에는 이소스핀(I = 1)이 있고, 세 번째 성분 이소스핀은 전하와 동일하다(I_z = +1, 0 또는 -1)가 있다.

충전된 파이온 데이스

π^±
메손의 질량은 139.6 MeV/c이고² 평균 수명은 2.6033×10s이다⁻⁸.그것들은 약한 상호작용 때문에 부패한다.파이온의 1차 붕괴 모드는 가지 분율이 0.999877이며 뮤온과 뮤온 중성미자로의 렙톤 붕괴다.

π+	→	μ+	+	ν μ
π−	→	μ−	+	ν μ

파이온의 두 번째로 흔한 붕괴모드인 분지분수 0.000123은 전자와 그에 상응하는 전자 안티뉴트리노로의 렙톤적 붕괴다.이 "전자 모드"는 1958년 CERN에서 발견되었다.^[11]

π+	→	e+	+	ν e
π−	→	e−	+	ν e

뮤오닉 모드와 관련된 전자 붕괴 모드의 억제는 파이온-전자의 반폭과 파이온-무온 붕괴 반응의 비율에 의해 대략 (방사능 보정의 최대 몇 퍼센트 효과) 주어진다.

${\displaystyle R_{\pi }=\left({\frac {m_{e}}{m_{\mu }}}\right)^{2}\left({\frac {m_{\pi }^{2}-m_{e}^{2}}{m_{\pi }^{2}-m_{\mu }^{2}}}\right)^{2}=1.283\times 10^{-4}}$

나선성 억제라고 알려진 스핀 효과 입니다.

그 메커니즘은 다음과 같다.음의 파이온은 스핀 0을 가지고 있으므로, 렙톤과 안티뉴트리노는 반대쪽 스핀(그리고 반대쪽 선형 모멘트a)으로 방출되어야 순 제로 스핀을 보존할 수 있다(그리고 선형 모멘텀을 보존한다).그러나 약한 상호작용은 필드의 왼쪽 치례성 성분에만 민감하기 때문에 항치뉴트리노는 질량이 없는 반입자의 경우 헬리시티가 치례성과 반대이기 때문에 항상 오른손이라는 뜻의 왼쪽 치례성을 가지고 있다.이는 렙톤이 선형 운동량(즉, 오른손잡이)의 방향으로 회전하면서 배출되어야 함을 의미한다.그러나 렙톤이 질량이 없는 경우, 그들은 왼손잡이 형태로만 파이온과 상호작용할 것이다(질량이 없는 입자의 나선성은 치랄성과 동일하기 때문이다). 그리고 이러한 붕괴 모드가 금지될 것이다.따라서 전자 붕괴 채널의 억제는 전자의 질량이 뮤온보다 훨씬 작다는 사실에서 비롯된다.전자는 뮤온에 비해 상대적으로 질량이 없어 사실상 금지된 뮤온에 비해 전자모드는 크게 억제된다.^[12]

비록 이 설명은 패리티 위반이 나선성 억제를 야기하고 있음을 시사하지만, 근본적인 이유는 중성미자와 충전된 렙톤에 대해 다른 손을 지시하는 상호작용의 벡터 본성에 있다.따라서, 상호작용을 보존하는 패리티라도 동일한 억제를 산출할 수 있다.

위 비율의 측정은 수십 년 동안 렙톤 보편성의 시험으로 간주되어 왔다.실험적으로 이 비율은 1.233(2)×10이다⁻⁴.^[1]

순수하게 렙톤에 의한 피온의 렙톤 디케이스를 넘어, 일부 구조 의존적인 복사 렙톤 디케이(즉, 일반적인 렙톤에 감마선을 더하여 붕괴)도 관찰되었다.

또한, 충전된 피온의 경우에만 중성 파이온, 전자 및 전자 안티뉴트리노(또는 양성 피온의 경우 중성 파이온, 양전자, 전자 중성미자)로 매우 희귀한 "선구 베타 붕괴"(약 10의⁻⁸ 분지 분율 포함)가 관찰된다.

π−	→	π0	+	e−	+	ν e
π+	→	π0	+	e+	+	ν e

치랄 섭동 이론과 같은 입자 물리학의 많은 하위 영역에서 피온이 붕괴하는 속도는 현저한 양이다.이 비율은 약 130 MeV인 쿼크와 앤티크 파장의 파동 함수 중복과 관련하여 파이온 붕괴 상수( ()에_π 의해 파라메트리된다.^[13]

중성 파이온 디케이스

π⁰
메손의 질량은 135.0 MeV/c이고² 평균 수명은 8.5×10초이다⁻¹⁷.^[1]그것은 전자기력을 통해 해독되는데, 이것은 왜 그것의 평균 수명이 충전된 파이온의 그것보다 훨씬 작은지를 설명한다.

BR_2γ = 0.98823의 분기 비율을 가진 지배적인 decay⁰
붕괴 모드는 두 개의 광자로 되어 있다.

π0

→

2 γ .

붕괴 π⁰
→ 3γ

(홀수 광자 수로 분해할 뿐만 아니라)는 전자기 상호작용의 C-대칭에 의해 금지된다.π의⁰
본질적인 C-패리티는 +1이고, n 광자 시스템의 C-패리티는 (-1)이다.ⁿ

두 번째로 큰 π⁰
붕괴 모드(BR_γee = 0.01174 )는 달리츠 붕괴(Richard Dalitz의 이름)로, 내부 광자 변환으로 광자와 전자-포시트론 쌍을 최종 상태로 하는 2-포톤 붕괴다.

π0

→

γ

+

e−

+

e+ .

세 번째로 큰 확립된 붕괴 모드(BR_2e2e = 3.34×10⁻⁵ )는 이중-달리츠 붕괴로, 두 광자는 모두 내부 변환을 거치고 있어 다음 비율의 추가 억제를 초래한다.

π0

→

e−

+

e+

+

e−

+

e+ .

네 번째로 큰 확립된 붕괴 모드는 루프 유도이므로 억제된(그리고 추가로 헬리시티 억제된) 렙톤 붕괴 모드(BR_ee = 6.46×10⁻⁸ )이다.

π0

→

e−

+

e+ .

중립 파이온은 또한 10의⁻⁹ 순서에 따라 가지 분율과 함께 양수체로 부패하는 것이 관찰되었다.다른 붕괴 모드는 실험적으로 확립되지 않았다.위의 분기는 PDG 중심 값이며, 불확실성은 생략되지만 인용 간행물에서 구할 수 있다.^[1]

피온스

입자 이름을 붙이다	입자 심볼	항정신병자 심볼	쿼크 내용물[14]	휴식 질량(MeV/c2)	IG	JPC	S	C	B'	평균 수명(s)	일반적으로 다음 항목으로 변경됨 (>>5%)
파이온[1]	π+	π−	u d	139.57039 ± 0.00018	1−	0−	0	0	0	2.6033 ± 0.0005 × 10−8	μ+ + ν μ
파이온[1]	π0	셀프	${\displaystyle {\tfrac {\mathrm {u{\bar {u}} -\mathrm {d{d}}{\sqrt{2}}:$[a]	134.9768 ± 0.0005	1−	0−+	0	0	0	8.5 ± 0.2 × 10−17	γ + γ

^[a] ^ 0이 아닌 쿼크 질량으로 인해 메이크업은 부정확하다.^[15]

참고 항목

• 파이오늄
• 쿼크 모델
• 정적 힘 및 가상 입자 교환
• 샌퍼드왕 파라미터화

참조

추가 읽기

• 제럴드 에드워드 브라운과 A. D. 잭슨, 뉴클레온과 뉴클레온 상호 작용(1976), 노스홀랜드 출판사, 암스테르담 ISBN 0-7204-0335-9

외부 링크

• Wikimedia Commons의 Pion과 관련된 미디어
• 입자 데이터 그룹의 중간자