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 正電荷を持つパイ中間子のクォーク構造。 | |
| 構成 |
|
|---|---|
| 統計 | ボソニック |
| 家族 | 中間子 |
| 相互作用 | 強い力、弱い力、電磁力、重力 |
| シンボル | π +、π 0、およびπ − |
| 反粒子 |
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| 理論化された | 湯川秀樹（1935年） |
| 発見した |
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| 種類 | 3 |
| 質量 | |
| 平均寿命 |
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| 電荷 |
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| 電荷半径 | π ± : ±0.659(4) fm [2 ] |
| カラーチャージ | 0 |
| スピン | 0 ħ |
| アイソスピン |
|
| ハイパーチャージ | 0 |
| パリティ | −1 |
| C パリティ | +1 |
素粒子物理学において、パイ中間子（/ˈpaɪ.ɒn/、PIE-on）またはパイ中間子は、ギリシャ文字パイ（ π ）で表され、 3つの素粒子のいずれかである：π 0、π +、およびπ −各パイ中間子はクォークと反クォークから構成されており、したがって中間子である。パイ中間子は最も軽い中間子であり、より一般的には最も軽いハドロンである。それらは不安定であり、荷電パイ中間子π +はおよびπ −平均寿命26.033ナノ秒後に崩壊する（ 2.6033 × 10 −8 秒）、中性パイオンπ 085アト秒というはるかに短い寿命の後に崩壊する（ 8.5 × 10 −17 秒）。[ 2 ]荷電パイ中間子はほとんどの場合ミューオンとミューニュートリノに崩壊し、中性パイ中間子は一般的にガンマ線に崩壊します。
仮想パイ中間子とベクトル中間子、ρ中間子、ω中間子の交換は、核子間の残留強い力の説明を提供する。パイ中間子は放射性崩壊では生成されないが、ハドロン間の高エネルギー衝突では一般的に生成される。パイ中間子は、物質と反物質の対消滅イベントからも生成される。すべての種類のパイ中間子は、高エネルギー宇宙線陽子と他のハドロン宇宙線成分が地球の大気中の物質と相互作用する自然過程でも生成される。2013年、2つの超新星残骸における中性パイ中間子の崩壊に由来する特性ガンマ線の検出により、パイ中間子は超新星爆発後に大量に生成され、おそらく地球上で宇宙線として検出される高エネルギー陽子の生成と同時に生成されることが示された。[ 3 ]
パイオンは、宇宙マイクロ波背景放射との衝突を生き残る宇宙線のエネルギーに、グライゼン・ザツェピン・クズミン限界を通して上限を設けることで、宇宙論においても重要な役割を果たしている。[ 4 ]
1935年の湯川秀樹による理論的研究は、強い核力の担体粒子として中間子の存在を予言していた。[ 5 ] [ 6 ]強い核力の範囲（原子核の半径から推測される）から、湯川は約の質量を持つ粒子の存在を予言した。100 MeV/ c² 。[ 7 ] 1936年に発見された当初、ミューオン（当初は「メソトロン」または「ミュー中間子」と呼ばれていた）はこの粒子であると考えられていた。なぜなら、その質量は106 MeV/ c 2。[ 8 ] [ 9 ]しかし、後の実験では、ミューオンは強い核相互作用に関与しないことが示されました。[ 10 ] [ 8 ]現代の用語では、これによりミューオンは中間子ではなくレプトンとなります。後に湯川によって予測された中間子として特定されたパイ中間子は、その後確認されました。1947年に荷電パイ中間子、1950年に中性パイ中間子が確認されました。[ 11 ] [ 12 ]
1941年から1942年にかけて、ビバ・チョードゥリとデベンドラ・モハン・ボースは、ボース研究所で宇宙線中間子の飛跡を報告した。これは後の歴史家によってパイ中間子の初期の証拠とみなされている。[ 13 ] [ 14 ]粒子加速器は1930年代初頭にはすでに開発されていたが、 [ 15 ]大気宇宙線は1950年代初頭に高エネルギー加速器が利用可能になるまで、高エネルギー素粒子の主要な発生源であり続けた。[ 16 ]写真乳剤が、現在の西ベンガル州のサンダクプ山頂とチベットの高地にあるファリジョンの町に長期間設置された。サンダクプで記録された粒子（約221 m e [113 MeV/ c 2 ]) は、ファリジョンで観測されたものよりも軽かった (約278 m e [142 MeV/ c 2 ]) という結果から、軽い粒子 (ミューオン) は重い粒子 (パイ中間子) の崩壊生成物であるという暫定的な結論に至った。しかし、第二次世界大戦中はハーフトーンプレートしか入手できなかったため、追跡調査は実施できなかった。[ 1 ] [ 17 ] 1947 年にイギリスのブリストル大学のセシル・パウエルが率いる共同研究チームは、ピレネー山脈のピク・デュ・ミディ・ド・ビゴール、そして後にアンデス山脈のチャカルタヤでフルトーンプレートを用いてより決定的な結果を得て、パウエルは 1950 年のノーベル物理学賞を受賞した。マリエッタ・クルツは、パウエルチームのプレートを検査した際に、パイ中間子がミューオンに崩壊する際に特徴的な、珍しい「二重中間子」の軌跡を最初に検出した人物であったが、それらは写真乳剤の端に近すぎたため不完全とみなされた。数日後、アイリーン・ロバーツは、発見論文に掲載されたパイ中間子崩壊によって残された痕跡を観測した。両女性は記事の図の説明文でクレジットされており、チョードゥリとボースによる以前の研究もクレジットされている。[ 18 ] [ 19 ]
1948年、ラテス、ユージン・ガードナー、および彼らのチームは、カリフォルニア大学バークレー校のサイクロトロンで、炭素原子に高速アルファ粒子を照射することにより、初めて人工的にパイ中間子を生成した。さらに高度な理論的研究はリアズディンによって行われ、彼は1959年にパイ中間子に対する仮想光子のコンプトン散乱の分散関係を使用して、その電荷半径を分析した。[ 20 ]
中性パイ中間子は電荷を持たないため、荷電パイ中間子よりも検出や観測が困難です。中性パイ中間子は写真乳剤やウィルソン霧箱に痕跡を残しません。中性パイ中間子の存在は、宇宙線からの崩壊生成物、いわゆる「ソフト成分」と呼ばれる低速電子と光子の衝突から推測されました。1949年にカリフォルニア大学のサイクロトロンで、2つの光子への崩壊を観測することで、明確に特定された。[ 21 ]同年後半には、ブリストル大学での宇宙線気球実験でも観測された。
湯川は、中間子がハドロン間の強い力の媒介粒子として機能するという考えに基づき、「仲介する」という意味の漢字「介」に似ていることから、文字πを選んだ。 [ 22 ]
がんなどの医療放射線療法におけるパイ中間子の使用は、ニューメキシコ州で1974年から1981年の間に228人の患者を治療したロスアラモス国立研究所のメソン物理施設[ 23 ]や、ブリティッシュコロンビア州バンクーバーのTRIUMF研究所など、多くの研究機関で研究されてきた。
量子色力学で定義される強い力相互作用の標準的な理解では、パイ中間子は、自発的に破れたカイラル対称性を持つゴールドストーンボソンとして大まかに描かれています。これが、3種類のパイ中間子の質量が、スカラー中間子やベクトル中間子などの他の中間子の質量よりもかなり小さい理由です。もしパイ中間子の現在のクォークが質量のない粒子であれば、カイラル対称性が厳密になり、ゴールドストーン定理によればすべてのパイ中間子の質量はゼロになります。
実際、ゲルマン、オークス、レナー（GMOR）[ 24 ]は、パイオン質量の二乗はクォーク質量の合計にクォーク凝縮を掛けたものに比例することを示した。 Bはクォーク凝縮体 である。 これはしばしばGMOR関係として知られており、明確に次のことを示しています。質量ゼロのクォーク極限において。同じ結果は光円錐ホログラフィーからも得られる。[ 25 ]
経験的に、軽いクォークは実際にはゼロでない微小な質量を持っているため、パイ中間子もゼロでない静止質量を持っています。しかし、それらの質量は核子の質量よりもほぼ1桁小さく、おおよそ[ 24 ]です。45 MeV、ここでm qは関連する現在のクォーク質量であり、約 5 ～10 MeV/ c² 。
パイオンは、一対の核子間の残留強い相互作用を媒介する粒子の一つです。この相互作用は引力であり、核子同士を引き寄せます。非相対論的な形で表すと、湯川ポテンシャルと呼ばれます。パイオンはスピンを持たないため、その運動学はクライン・ゴルドン方程式で記述されます。量子場理論の観点から見ると、パイオンと核子の相互作用を記述する有効場理論のラグランジアンは、湯川相互作用と呼ばれます。
π ±の質量はほぼ同じですπ 0これは、何らかの対称性が働いていることを示しています。この対称性はSU(2)フレーバー対称性またはアイソスピンと呼ばれます。3つのパイ中間子π +が存在する理由は、、π −π 0つまり、これらはSU(2)の三重項表現または随伴表現3に属するものと理解される。対照的に、アップクォークとダウンクォークはSU(2)の基本表現2に従って変換され、反クォークは共役表現2*に従って変換される。
ストレンジクォークが加わることで、パイ中間子はSU(3)の随伴表現8において、より大きなSU(3)フレーバー対称性に関与する。この八重項の他のメンバーは、 4つのカオンとイータ中間子である。
パイオンはパリティ変換の下で擬スカラー粒子となる。したがって、パイオン電流は軸性ベクトル電流と結合し、カイラル異常に関与する。
スピンがゼロのメソンであるパイ中間子は、第一世代のクォークから構成されています。クォークモデルでは、アップクォークと反ダウンクォークがπ +を構成します。ダウンクォークと反アップクォークがπ−を構成する、そしてこれらは互いに反粒子である。中性パイ中間子π⁰は、アップクォークと反アップクォーク、またはダウンクォークと反ダウンクォークの組み合わせです。この2つの組み合わせは量子数が同一であるため、重ね合わせの状態でのみ存在します。これらの重ね合わせの中で最もエネルギーが低いのはπ 0です。は、自身の反粒子です。パイ中間子は、一緒にアイソスピンの三重項を形成します。各パイ中間子は、全体のアイソスピン（I = 1 ）と、その電荷に等しい第 3 成分のアイソスピン（I z = +1、0、-1）を持ちます。
π ±メソンの質量は139.6 MeV/ c 2 の平均寿命は2.6033 × 10 −8秒 。これらは弱い相互作用によって崩壊します。パイ中間子の主要な崩壊モードは、分岐比が 0.999877 で、ミューオンとミューニュートリノへのレプトン崩壊です。
パイオンの2番目に多い崩壊モードは、分岐比が0.000123で、電子と対応する電子反ニュートリノへのレプトン崩壊です。この「電子モード」は1958年にCERNで発見されました。 [ 26 ]
電子崩壊モードのミューオン崩壊モードに対する抑制は、（放射補正による数パーセントの影響を除いて）パイ中間子-電子崩壊反応とパイ中間子-ミューオン崩壊反応の半値幅の比によって近似的に与えられる。 これは、ヘリシティ抑制として知られるスピン効果である。
そのメカニズムは次のとおりです。負のパイ中間子はスピンがゼロであるため、正味のスピンがゼロ（かつ運動量が保存される）になるように、レプトンと反ニュートリノは反対のスピン（および反対の運動量）で放出されなければなりません。しかし、弱い相互作用は場の左カイラリティ成分にのみ敏感であるため、反ニュートリノは常に左カイラリティを持ち、質量のない反粒子の場合、ヘリシティはカイラリティと反対であるため、右巻きになります。これは、レプトンがその運動量の方向（つまり、右巻き）のスピンで放出されなければならないことを意味します。しかし、レプトンが質量のない粒子であれば、左巻きの形でしかパイ中間子と相互作用しないため（質量のない粒子の場合、ヘリシティはカイラリティと同じであるため）、この崩壊モードは禁止されます。したがって、電子崩壊チャネルの抑制は、電子の質量がミューオンの質量よりもはるかに小さいという事実から生じます。電子はミューオンに比べて質量が比較的小さいため、電子モードはミューオンモードに比べて大幅に抑制され、事実上禁止されている。[ 27 ]
この説明はパリティ違反がヘリシティ抑制の原因であると示唆しているが、根本的な理由は相互作用のベクトル性にあり、ニュートリノと荷電レプトンで異なるカイラリティが決定される。したがって、パリティ保存相互作用であっても同じ抑制が生じることになる。
上記の比率の測定は、数十年にわたりレプトン普遍性の検証と考えられてきた。実験的には、この比率は1.233(2) × 10 −4 . [ 2 ]
パイオンの純粋なレプトン崩壊に加えて、構造依存的な放射性レプトン崩壊（つまり、通常のレプトンに加えてガンマ線への崩壊）も観測されている。
また、荷電パイ中間子の場合のみ、非常にまれな「パイ中間子ベータ崩壊」（分岐比は約10⁻⁸ ）が観測され、中性パイ中間子、電子、電子反ニュートリノ（または正のパイ中間子の場合は、中性パイ中間子、陽電子、電子ニュートリノ）に崩壊する。
パイオンの崩壊率は、カイラル摂動論など、素粒子物理学の多くの分野で重要な量である。この崩壊率は、クォークと反クォークの波動関数の重なりに関連するパイオン崩壊定数（fπ ）によってパラメータ化され、その値は約130 MeV。[ 28 ]
π 0中間子の質量は135.0 MeV/ c 2の平均寿命8.5 × 10 −17 秒。[ 2 ]電磁力によって崩壊するため、その平均寿命は荷電パイ中間子（弱い力によってのみ崩壊する）の平均寿命よりもはるかに短いことが説明できます。
支配的なπ 0分岐比BR γγ = 0.98823の崩壊モードは、2 つの光子に分裂します。
崩壊π0→ 3 γ (および任意の奇数個の光子への崩壊) は、電磁相互作用の C 対称性によって禁止されています。π 0の固有の C パリティは +1 であり、 n 個の光子のシステムの C パリティは( − 1) nです。
2番目に大きいπ0崩壊モード（BR γe e = 0.01174）はダリッツ崩壊（リチャード・ダリッツにちなんで命名）であり、内部光子変換を伴う2光子崩壊で、最終状態では 光子と電子-陽電子対が生成されます。
3番目に大きい既知の崩壊モード（BR 2e2 e = 3.34 × 10−5 ) は二重ダリッツ崩壊であり、両方の光子が内部転換を起こし、その結果、崩壊率がさらに抑制される。
4番目に大きい既知の崩壊モードは、ループによって誘発され、したがって抑制される（さらにヘリシティによって抑制される）レプトン崩壊モード（BR e e = 6.46 × 10−8 ):
中性パイ中間子は、10⁻⁶程度の分岐比でポジトロニウムに崩壊することも観測されている。−9。他の崩壊モードは実験的に確認されていません。上記の分岐比はPDG中心値であり、その不確実性は省略されていますが、引用文献に記載されています。 [ 2 ]
[a] ^ π 0のクォーク構成クォークの質量がゼロでないことによる複雑さのため、アップクォークとダウンクォークに正確に分割されるわけではない。[ 30 ]
ウィキメディア・コモンズにあるパイオンに関連するメディア
![{\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \mu ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mu }\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/696602558151fda06fcf1b466ef9ebeff066b068)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow {\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow {\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d8d650a562fd96e3ee01ebf26b6a08db0ddd34d2)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/177f4006b7d5e5a1caa09f1808e23d44f6a3a747)
