ピオン

ピオン

正電荷を持つパイオンのクォーク構造。
構成	π+  : あなた d π0  :${\displaystyle {\rm {\tfrac {u{\overline {u}}-d{\overline {d}}}{\sqrt {2}}}}}$ π−  : d あなた
統計	ボソン
家族	中間子
インタラクション	強い力、弱い力、電磁力、重力
シンボル	π+ 、 π0 、 そして π−
反粒子	π+  : π− π0  : 自分
理論化された	湯川秀樹（1935）
発見した	π±  :セザール・ラテス、ジュゼッペ・オッキアリーニ、セシル・パウエル(1947) π0  : 1950
種類	3
質量	π±  :139.570 39 (18)  MeV/ c 2 [1] π0  :134.9768(5) MeV/ c 2 [1]
平均寿命	π±  :2.6 × 10 −8 秒 π0  :8.5 × 10 −17 秒
電荷	π±  : ± 1 e π0  : 0 電子
チャージ半径	π±  : ±0.659(4)  FM [1]
カラーチャージ	0
スピン	0  ħ
アイソスピン	π±  : ± 1 π0  : 0
ハイパーチャージ	0
パリティ	−1
Cパリティ	+1

素粒子物理学では、パイオン（/ ˈ p aɪ . ɒ n /、PIE -on）またはパイ中間子は、ギリシャ文字のπ（
π
）は、3 つの亜原子粒子のいずれかです。
π⁰
、
π⁺
、 そして
π⁻
それぞれのパイオンはクォークと反クォークから成り、したがって中間子である。パイオン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、荷電パイオンは
π⁺
そして
π⁻
平均寿命26.033 ナノ秒後に崩壊する（2.6033 × 10 ⁻⁸ 秒）、中性パイ中間子
π⁰
85アト秒というはるかに短い寿命で崩壊する （8.5 × 10 ⁻¹⁷ 秒）。^[1]荷電パイオン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、中性パイオンは一般にガンマ線に崩壊します。

仮想パイオンの交換は、ベクトル、ロー、オメガ中間子とともに、核子間の残留強い力を説明するものである。パイオン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。パイオンは、物質と反物質の消滅イベントによっても生成される。また、あらゆる種類のパイオンは、高エネルギー宇宙線陽子やその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ときに、自然のプロセスでも生成される。2013年には、2つの超新星残骸で中性パイオンの崩壊に由来する特徴的なガンマ線が検出され、超新星後にはパイオンが大量に生成されることが示された。これは、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関連している可能性が高い。^[2]

パイオンは、グライゼン・ザツェピン・クズミン限界を通じて、宇宙マイクロ波背景との衝突を生き延びる宇宙線のエネルギーに上限を課すことで、宇宙論においても重要な役割を果たしている。[^要出典]

1935年の湯川秀樹の理論的研究は、強い核力の運搬粒子として中間子の存在を予言した。強い核力の範囲（原子核の半径から推定）から、湯川は約1000万の質量を持つ粒子の存在を予言した。100 MeV/ c ²。1936年に発見された当初、ミューオン（当初は「ミュー中間子」と呼ばれていました）は、質量が100 MeV/ c 2 であるため、この粒子であると考えられていました。106 MeV/ c ²。しかし、その後の実験で、ミューオンは強い原子核相互作用に参加していないことが示されました。現代の用語では、これによりミューオンはレプトンとなり、中間子ではありません。しかし、一部の天体物理学者のコミュニティでは、ミューオンを「ミュー中間子」と呼び続けています。^{[誰によると? ]}湯川が提唱した中間子の例であることが判明したパイオンは、後に発見されました。荷電パイオンは 1947 年に、中性パイオンは 1950 年に発見されました。

1947年、イギリスのブリストル大学のセシル・パウエル率いる共同研究により、最初の真の中間子である荷電パイ中間子が発見された。発見論文の著者は、セザール・ラット、ジュゼッペ・オッキアリーニ、ヒュー・ミュアヘッド、パウエルの4人であった。^[3]粒子加速器はまだ登場していなかったため、高エネルギーの亜原子粒子は大気中の宇宙線からのみ得ることができた。ゼラチン銀法に基づく写真乳剤は、最初はピレネー山脈のピク・デュ・ミディ・ド・ビゴール、後にアンデス山脈のチャカルタヤの高山にある場所に長期間置かれ、そこで乾板に宇宙線が当たった。現像後、写真乾板は約12人の女性チームにより顕微鏡で検査された。 ^[4]マリエッタ・クルツは、パイオンがミューオンに崩壊する際に特徴的な「二重中間子」の異常な軌跡を最初に検出した人物であるが、その軌跡は写真乳剤の端に近すぎたため不完全であると判断された。数日後、アイリーン・ロバーツはパイオンの崩壊によって残された軌跡を観察し、発見論文に掲載された。両名は記事の図のキャプションにクレジットされている。

1948年、ラテス、ユージン・ガードナーとそのチームは、カリフォルニア州バークレーにあるカリフォルニア大学のサイクロトロンで、炭素原子に高速アルファ粒子を衝突させることにより、初めて人工的にパイオンを生成した。さらに進んだ理論的研究はリアズディンによって行われ、リアズディンは1959年にパイオンによる仮想光子のコンプトン散乱の分散関係を用いて、パイオンの電荷半径を分析した。^[5]

中性パイ中間子は電荷を帯びていないため、電荷を帯びた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跡を残しません。中性パイ中間子の存在は、低速電子と光子のいわゆる「ソフト成分」である宇宙線からの崩壊生成物の観測から推測されました。
π⁰
1949年にカリフォルニア大学のサイクロトロンで2つの光子に崩壊するのを観測して決定的に特定されました。^[6]同年後半にはブリストル大学の宇宙線気球実験でも観測されました。

...湯川は、中間子がハドロン間の強い力の媒介粒子として働くという概念に基づいて、「媒介」という漢字に似ていることからπという文字を選択しました。 ^[7]

癌などの医療放射線治療におけるパイ中間子の利用は、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中間子物理学施設^[8]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ました。

量子色力学で定義される強い力の相互作用の標準的な理解では、パイ中間子は、カイラル対称性が自発的に破れたゴールドストーン粒子として大まかに表現されます。これにより、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大幅に小さくなります。現在のクォークが質量のない粒子であれば、カイラル対称性が正確になり、ゴールドストーン定理により、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）^[9]は、パイオン質量の2乗がクォーク質量の合計とクォーク凝縮体の積に比例することを示しました。B はクォーク凝縮体 です。これはGMOR関係 としてよく知られており、質量ゼロのクォーク極限で明示的に示しています。同じ結果は、光前面ホログラフィーからも得られます 。^[10]$${\displaystyle M_{\pi}^{2}=(m_{u}+m_{d})B+{\mathcal {O}}(m^{2}),}$$$${\displaystyle B=\left\vert {\frac {\rm {\langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle }}{f_{\pi }^{2}}}\right\vert _{m_{q}\to 0}}$$${\displaystyle M_{\pi }=0}$

経験的に、軽いクォークは実際には非常に小さい非ゼロの質量を持っているので、パイ中間子も非ゼロの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、およそ^[9] 45 MeVです。ここで、m _qはMeV単位の関連する現在のクォーク質量で、約5〜10 MeVです。 ${\displaystyle m_{\pi }\approx {\tfrac {\sqrt {vm_{q}}}{f_{\pi }}}\approx {\sqrt {m_{q}}}}$

パイオンは、一対の核子間の強い残留相互作用を媒介する粒子の 1 つです。この相互作用は引力で、核子同士を引き寄せます。非相対論的な形式で記述すると、湯川ポテンシャルと呼ばれます。パイオンはスピンがないため、クライン・ゴードン方程式で記述される運動学を持ちます。量子場の理論の用語では、パイオンと核子の相互作用を記述する有効場の理論ラグランジアンは湯川相互作用と呼ばれます。

ほぼ同一の質量の
π^±
そして
π⁰
対称性が存在することを示唆している。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る。3つのパイ中間子が存在する理由は、
π⁺
、
π⁻
そして
π⁰
の違いは、これらがSU(2)の三重項表現または随伴表現 3に属すると理解されていることです。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に従って変換されますが、反クォークは共役表現2*に従って変換されます。

ストレンジクォークの追加により、パイオンは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参加します。このオクテットの他のメンバーは、4つのK中間子とエータ中間子です。

パイオンはパリティ変換の下で擬スカラーです。したがって、パイオン電流は軸ベクトル電流と結合し、カイラル異常に関与します。

スピンゼロの中間子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⁺
ダウンクォークと反アップクォークが
π⁻
これらはお互いの反粒子である。中性パイ中間子
π⁰
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ある。2つの組み合わせは同一の量子数を持ち、したがって重ね合わせでのみ見られる。これらの最もエネルギーの低い重ね合わせは
π⁰
は、それ自身の反粒子です。一緒に、パイ中間子は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。

の
π^±
中間子の質量は139.6  MeV/ c ²、平均寿命は2.6033 × 10 ⁻⁸  s 。弱い相互作用により崩壊します。分岐比が0.999877 のパイオンの主な崩壊モードは、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。

$${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \mu ^{ -}+{\overline {\nu }}_{\mu }\end{aligned}}}$$

パイ中間子の2番目に一般的な崩壊モードは、分岐率が0.000123で、電子とそれに対応する電子反ニュートリノへのレプトン崩壊である。この「電子モード」は1958年にCERNで発見された。^[11]

$${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow {\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow {\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

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、近似的に（放射補正の影響は数パーセントまで）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で与えられる。

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

これはヘリシティ抑制 として知られるスピン効果です。

そのメカニズムは以下のとおりです。負のパイオンはスピンがゼロであるため、レプトンと反ニュートリノは、正味のスピンがゼロになるように（そして線形運動量を保存するように）反対のスピン（および反対の線形運動量）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、つまり右利きになります。これは、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です。これは、レプトンの線形運動量の方向へのスピン（つまり、これも右利き）で放出されなければならないことを意味します。しかし、レプトンに質量がない場合は、左利きの形でのみパイオンと相互作用し（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、電子の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に由来します。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ます。^[12]

この説明は、パリティの破れがヘリシティ抑制を引き起こしていることを示唆していますが、根本的な理由は、ニュートリノと荷電レプトンの異なる利き手を決定する相互作用のベクトル性質にあります。したがって、パリティを保存する相互作用でも同じ抑制が生じることになります。

上記の比率の測定は、数十年にわたってレプトン普遍性のテストであると考えられてきました。実験的には、この比率は1.233(2) × 10 ⁻⁴ . ^[1]

パイオンの純粋なレプトン崩壊の他に、構造に依存する放射レプトン崩壊（つまり、通常のレプトンとガンマ線への崩壊）もいくつか観測されています。

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」（分岐率は約 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）が生成されます。

$${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

パイオンの崩壊率は、カイラル摂動論などの素粒子物理学の多くの分野で重要な量である。この率は、パイオン崩壊定数（fπ _）によってパラメータ化され、これはクォークと反クォークの波動関数の重なりに関係しており、約130MeV ^[13 ]

の
π⁰
中間子の質量は135.0 MeV/ c ²、平均寿命は8.5 × 10 ⁻¹⁷  s。^[1]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）よりもはるかに短い。

支配的な
π⁰
BR _γγ = 0.98823の分岐比を持つ崩壊モードでは、2つの光子になります。

$${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow 2\ \gamma }$$

崩壊
π⁰
→ 3
γ
（そして任意の奇数個の光子に崩壊する）は電磁相互作用のC対称性によって禁じられている。
π⁰
は +1 ですが、 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（BRγe _e = 0.01174）はダリッツ崩壊（リチャード・ダリッツにちなん_{で名付けられた）であり、内部光子変換を}伴う2光子崩壊であり、最終状態では 光子と電子-陽電子対が生じる。

$${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow \gamma +{\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

3番目に大きい崩壊モード（BR _{2e2 e} = 3.34 × 10⁻⁵）は二重ダリッツ崩壊であり、両方の光子が内部変換を受けることでさらに速度が抑制される。

$${\displaystyle \pi^{0}\longrightarrow {\rm {2\ e^{-}+2\ e^{+}}}}$$

4番目に大きい崩壊モードは、ループ誘導性であり、したがって抑制される（さらにヘリシティ抑制される）レプトン崩壊モード（BR _{e e} = 6.46 × 10⁻⁸ ):

$${\displaystyle \pi^{0}\longrightarrow {\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

中性パイ中間子は10のオーダーの分岐率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立されていない。上記の分岐率はPDGの中心値であり、その不確実性は省略されているが、引用された出版物で入手可能である。 ^[1]

^[a] ^ クォークの質量がゼロではないため、構成は不正確です。^[15]

• ピオニウム
• クォークモデル
• 静的力と仮想粒子交換
• サンフォード・ワングパラメータ化

• ジェラルド・エドワード・ブラウンとA​​Dジャクソン著『核子-核子相互作用』（1976年）、ノースホランド出版、アムステルダムISBN 0-7204-0335-9 

• ウィキメディア・コモンズのパイ中間子に関連するメディア
• 粒子データグループの中間子