Пионы: Открытие, свойства и роль в физике высоких энергий

Введение

Самый легкий мезон: 139.57039: 134.9768

Пион также играет важную роль в космологии, устанавливая верхний предел энергий космических лучей, способных выжить после столкновений с космическим микроволновым фоном, в соответствии с пределом Грейзена — Зацепина — Кузьмина.

История

Теоретическая работа Хидеки Юкавы в 1935 году предсказала существование мезонов как частиц-переносчиков сильного ядерного взаимодействия. Исходя из дальности сильного ядерного взаимодействия (определяемой по радиусу атомного ядра), Юкава предсказал существование частицы с массой около 100. Сразу после открытия в 1936 году мюон (первоначально называвшийся «мю-мезоном») считался этой частицей, поскольку его масса составляет 106. Однако последующие эксперименты показали, что мюон не участвует в сильном ядерном взаимодействии. В современной терминологии это означает, что мюон является лептоном, а не мезоном. Тем не менее, некоторые сообщества астрофизиков продолжают называть мюон «мю-мезоном». Пионы, которые оказались примерами мезонов, предложенных Юкавой, были обнаружены позднее: заряженные пионы в 1947 году и нейтральный пион в 1950 году. В 1947 году первые истинные мезоны, заряженные пионы, были обнаружены коллаборацией под руководством Сесила Пауэлла в Бристольском университете в Англии. Авторами статьи об открытии были Сезар Латтес, Джузеппе Оккиалини, Хью Мьюрхед и Пауэлл. Поскольку ускорители частиц еще не были созданы, высокоэнергетические субатомные частицы можно было получить только из атмосферных космических лучей. Фотографические эмульсии, изготовленные по желатиносеребряному процессу, на длительное время размещались в высокогорных местах, сначала на Пик-дю-Миди-де-Бигорре в Пиренеях, а затем в Чакалтайе в Андах, где пластины подвергались воздействию космических лучей. После проявки фотопластинки осматривались под микроскопом группой из примерно десяти женщин. Мариетта Курц первой обнаружила необычные следы «двойных мезонов», характерные для распада пиона на мюон, но они находились слишком близко к краю фотографической эмульсии и были признаны неполными. Через несколько дней Ирен Робертс заметила следы, оставленные распадом пиона, которые появились в статье об открытии. Обе женщины указаны в подписях к рисункам в статье. В 1948 году Латтес, Юджин Гарднер и их команда впервые искусственно создали пионы в циклотроне Калифорнийского университета в Беркли, Калифорния, путем бомбардировки атомов углерода высокоскоростными альфа-частицами. Дальнейшие углубленные теоретические работы были проведены Риазуддином, который в 1959 году использовал дисперсионное соотношение для комптоновского рассеяния виртуальных фотонов на пионах для анализа их радиуса заряда. Поскольку нейтральный пион не имеет электрического заряда, его труднее обнаружить и наблюдать, чем заряженные пионы. Нейтральные пионы не оставляют следов в фотографических эмульсиях или в камерах Вильсона. Существование нейтрального пиона было установлено по продуктам его распада из космических лучей, так называемому «мягкому компоненту» медленных электронов и фотонов. В 1950 году на циклотроне Калифорнийского университета было окончательно установлено, что он распадается на два фотона. Позже в том же году они также были обнаружены в экспериментах с космическими лучами на воздушных шарах в Бристольском университете. Юкава выбрал букву π из-за ее сходства с иероглифом кандзи 介, что означает «посредничать». Это связано с тем, что мезон выступает в роли частицы-переносчика сильного взаимодействия между адронами.

Theoretical work by Hideki Yukawa in 1935 had predicted the existence of mesons as the carrier particles of the strong nuclear force. From the range of the strong nuclear force (inferred from the radius of the atomic nucleus), Yukawa predicted the existence of a particle having a mass of about 100. Initially after its discovery in 1936, the muon (initially called the "mu meson") was thought to be this particle, since it has a mass of 106. However, later experiments showed that the muon did not participate in the strong nuclear interaction. In modern terminology, this makes the muon a lepton, and not a meson. However, some communities of astrophysicists continue to call the muon a "mu meson". The pions, which turned out to be examples of Yukawa's proposed mesons, were discovered later: the charged pions in 1947, and the neutral pion in 1950. In 1947, the first true mesons, the charged pions, were found by the collaboration led by Cecil Powell at the University of Bristol, in England. The discovery article had four authors: César Lattes, Giuseppe Occhialini, Hugh Muirhead and Powell. Since the advent of particle accelerators had not yet come, high energy subatomic particles were only obtainable from atmospheric cosmic rays. Photographic emulsions based on the gelatin silver process were placed for long periods of time in sites located at high altitude mountains, first at Pic du Midi de Bigorre in the Pyrenees, and later at Chacaltaya in the Andes Mountains, where the plates were struck by cosmic rays. After development, the photographic plates were inspected under a microscope by a team of about a dozen women. Marietta Kurz was the first person to detect the unusual "double meson" tracks, characteristic for a pion decaying into a muon, but they were too close to the edge of the photographic emulsion and deemed incomplete. A few days later, Irene Roberts observed the tracks left by pion decay that appeared in the discovery paper. Both women are credited in the figure captions in the article. In 1948, Lattes, Eugene Gardner, and their team first artificially produced pions at the University of California's cyclotron in Berkeley, California, by bombarding carbon atoms with high speed alpha particles. Further advanced theoretical work was carried out by Riazuddin, who in 1959 used the dispersion relation for Compton scattering of virtual photons on pions to analyze their charge radius. Since the neutral pion is not electrically charged, it is more difficult to detect and observe than the charged pions are. Neutral pions do not leave tracks in photographic emulsions or Wilson cloud chambers. The existence of the neutral pion was inferred from observing its decay products from cosmic rays, a so called "soft component" of slow electrons with photons. The was identified definitively at the University of California's cyclotron in 1950 by observing its decay into two photons. Later in the same year, they were also observed in cosmic ray balloon experiments at Bristol University. 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.

Возможные применения

Использование пионов в медицинской лучевой терапии, в том числе для лечения рака, изучалось в ряде исследовательских учреждений, включая Мезонную физическую лабораторию Лос-Аламосской национальной лаборатории, которая провела лечение 228 пациентов в период с 1974 по 1981 год в Нью-Мексико, и лабораторию TRIUMF в Ванкувере, провинция Британская Колумбия.