パイオン

パイオン

正電荷を帯びたパイ中間子のクォーク構造。
構成	π^+ : u d π^0 :${\displaystyle {\rm {\tfrac {u{\overline {u}}-d{\overline {d}}}{\sqrt {2}}}}}$ π^− ：d u
統計	ボソン
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、そしてπ^−
反粒子	π^+ : π^− π^0 ：自分
理論化された	湯川秀樹（1935年）
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) π^0 : 1950
種類	3
質量	π^± :139.570 39 (18)  MeV/ c ^2‍ [1 ] π^0 :134.9768(5) MeV/ c ^2‍ [1 ]
平均寿命	π^± :2.6 × 10 ^−8 秒 π^0 :8.5 × 10 ^−17 秒
電荷	π^± : ± 1 e π^0 : 0  e
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 π^0 : 0
ハイパーチャージ	0
パリティ	−1
Cパリティ	+1

粒子物理学において、パイオン（/ ˈ p aɪ . ɒ n /、PIE -on）またはパイ中間子は、ギリシャ文字のパイ（π ）で表され、3つの亜原子粒子のいずれかです。π⁰、π⁺、そしてπ⁻それぞれのパイ中間子はクォークと反クォークから構成され、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。パイ中間子は不安定であり、荷電パイ中間子はπである。⁺そしてπ⁻平均寿命26.033 ナノ秒後に減衰する（2.6033 × 10 ⁻⁸ 秒）、中性パイ中間子π⁰85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にガンマ線に崩壊します。

仮想パイ中間子の交換は、ベクトル中間子、ロー中間子、オメガ中間子とともに、核子間の残留強い力を説明する。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-反物質消滅イベントによっても生成される。また、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、あらゆる種類のパイ中間子が自然プロセスで生成される。2013年には、2つの超新星残骸で中性パイ中間子の崩壊に由来する特性ガンマ線が検出され、超新星後にはパイ中間子が大量に生成されることが示されている。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放射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。^{[ 3 ]}

歴史

核力（または残留強い力）の相互作用を示すアニメーション。小さな色のついた二重円盤はグルーオンです。反色の選択については、色電荷 § 赤、緑、青 を参照してください。

アニメーションと同じ過程のファインマン図。個々のクォーク構成要素を示し、基本的な強い相互作用が核力をどのように生み出すかを示しています。直線はクォーク、多色のループはグルーオン（基本的な力の担い手）です。陽子、中性子、パイ中間子を「飛行中」に結びつける他のグルーオンは示されていません。π⁰中間子には反クォークが含まれており、ファインマン-シュテッケルベルク解釈によれば、反対方向に移動すると示されています。

1935年の湯川秀樹の理論的研究は、強い核力の媒介粒子として中間子の存在を予言した。強い核力の射程範囲（原子核の半径から推定）から、湯川は約1.5g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」と呼ばれていた）は、質量が100 MeV/c 2 であることから、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関与しないことが示されました。現代の用語では、ミューオンは中間子ではなくレプトンとなります。しかしながら、一部の天体物理学者コミュニティでは、ミューオンを「ミュー中間子」と呼び続けています。湯川が提唱した中間子の例であるパイオンは、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・パウエル率いる協力により、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4人：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、パウエルであった。^{[ 4 ]}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。ゼラチン銀プロセスに基づく写真乳剤は、最初はピレネー山脈のピック・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照射された。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。 ^{[ 5 ]}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」の軌跡を初めて検出した人物であるが、写真乳剤の端に近すぎたため不完全と判断された。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測し、発見論文に掲載された。両名は論文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、そして彼らのチームは、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サイクロトロンにおいて、炭素原子に高速アルファ粒子を照射することで、初めて人工的にパイ中間子を生成しました。リアズディンはさらに進んだ理論的研究を行い、1959年には仮想光子のパイ中間子によるコンプトン散乱の分散関係を用いて、その電荷半径を解析しました。^{[ 6 ]}

中性パイ中間子は電荷を帯びていないため、荷電パイ中間子よりも検出と観測が困難です。中性パイ中間子は写真乳剤やウィルソン霧箱に軌跡を残しません。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」である低速電子と光子の観測から推測されました。π⁰1949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決定的に特定されました。^{[ 7 ]}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考えに基づいて、「媒介する」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^。[ 8 ^]

考えられる用途

癌などの医療放射線治療におけるパイ中間子の使用は、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所の中間子物理学施設（ 1974年から1981年の間に228人の患者を治療）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。

理論的概要

量子色力学によって定義される強い力の相互作用に関する標準的な理解では、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。これは、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よりもかなり小さい理由を説明しています。もしこれらの中間子の現在のクォークが質量を持たない粒子であれば、カイラル対称性は完全に一致するため、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）^{[ 10 ]}は、パイ中間子の質量の2乗はクォーク質量の合計とクォーク凝縮量の積に比例することを示した。 ここで、Bはクォーク凝縮量である。 これはしばしばGMOR関係として知られ、質量ゼロのクォーク極限において、この関係を明確に示している。同じ結果は、光波面ホログラフィーからも導かれる。^{[ 11 ]}$${\displaystyle M_{\pi }^{2}=(m_{\text{u}}+m_{\text{d}})B+{\mathcal {O}}(m^{2}),}$$ $${\displaystyle B=\left\vert {\frac {\rm {\langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle }}{f_{\pi }^{2}}}\right\vert _{m_{\text{q}}\to 0}}$$ ${\displaystyle M_{\pi }=0}$

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ため、パイ中間子も非ゼロの静止質量を持っています。しかし、これらの質量は核子の質量よりもほぼ1桁小さく、およそ^{[ 10 ]} 45 MeVです。ここで、m _qは関連する現在のクォーク質量で、約${\displaystyle \m_{\pi}\approx {\tfrac {\sqrt {v\m_{\text{q}}\}}{\f_{\pi}}}\approx {\sqrt {m_{\text{q}}\}}\}$ 5～10MeV/ c ²。

パイオンは、核子対間の強い残留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。パイオンはスピンを持たないため、クライン・ゴルドン方程式で記述される運動学を持ちます。量子場の理論では、パイオン-核子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。

πのほぼ同一の質量^±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。π中間子が3つ存在する理由は、⁺、π⁻そしてπ⁰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点が異なります。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が加わることで、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関与する。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ある。

パイオンはパリティ変換の下で擬スカラーとなる。したがって、パイオンカレントは軸性ベクトルカレントと結合し、カイラル異常に関与する。

基本的なプロパティ

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る。クォーク模型では、アップクォークと反ダウンクォークがπクォークを構成する。⁺一方、ダウンクォークと反アップクォークはπを構成している。⁻これらは互いに反粒子である。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。これら2つの組み合わせは量子数が等しいため、重ね合わせの場合にのみ存在する。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である。⁰は、それ自身の反粒子です。パイ中間子は全体でアイソスピン3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。

荷電パイ中間子の崩壊

支配的なレプトン・パイ中間子崩壊のファインマン図。

原子核乳剤中のK中間子の崩壊。正電荷を帯びたK中間子は画像の上部から入り、π中間子に崩壊する。⁻中間子（a）と2つのπ⁺中間子（bとc）。π⁻中間子はBのエマルジョン内の原子核と相互作用します。

π​^±中間子の質量は139.6  MeV/ c ²、平均寿命は2.6033 × 10 ⁻⁸  s 。これらは弱い相互作用によって崩壊する。パイ中間子の主な崩壊モードは、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ある。 $${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \mu ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mu }\end{aligned}}}$$

パイ中間子の2番目に多い崩壊モードは、分岐比が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。 ^{[ 12 ]}$${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow {\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow {\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

ミューオン崩壊モードに対する電子崩壊モードの抑制は、パイ中間子-電子崩壊反応とパイ中間子-ミュー中間子崩壊反応の半値幅の比によって近似的に（放射補正の影響は最大数パーセント）与えられ、 ヘリシティ抑制として知られるスピン効果 です。 $${\displaystyle R_{\pi }=\left({\frac {m_{e}}{m_{\mu }}}\right)^{2}\left({\frac {m_{\pi }^{2}-m_{e}^{2}}{m_{\pi }^{2}-m_{\mu }^{2}}}\right)^{2}=1.283\times 10^{-4}}$$

そのメカニズムは以下の通りである: 負のパイ中間子はスピン 0 を持つため、正味のスピン 0 を保存する (および線形運動量を保存する) には、レプトンと反ニュートリノは反対のスピン (および反対の線形運動量) で放出されなければならない。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、つまり右巻きになる。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だからである。これは、レプトンの線形運動量の方向のスピン (つまり、右巻き) で放出されなければならないことを意味する。しかし、レプトンの質量がゼロであれば、左巻きの形でのみパイ中間子と相互作用し (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る。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する。電子はミューオンに比べて質量が小さいため、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。^{[ 13 ]}

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の利き手が異なることを示している。したがって、パリティを保存する相互作用であっても、同様の抑制が生じる。

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にな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 ]}

純粋なパイオンの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。 $${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

_{パイ中間子の崩壊率は、}カイラル摂動論など、素粒子物理学の多くの分野において重要な量である。この崩壊率はパイ中間子崩壊定数（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、およそ130 MeV . ^{[ 14 ]}

中性パイ中間子の崩壊

π​⁰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。

異常誘起中性パイ中間子崩壊。

支配的なπ⁰BR _γγ = 0.98823の分岐比を持つ崩壊モードは、2つの光子に分かれます。 $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow 2\ \gamma }$$

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対称性によって禁じられている： πの固有のCパリティ⁰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、最終状態では光子と_電子-陽電子対が 生成されます。$${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow \gamma +{\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

3番目に大きい確立された崩壊モード（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番目に大きい確立された崩壊モードは、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立されていない。上記の分岐比はPDGの中心値であり、その不確かさは省略されているが、引用文献に記載されている。 ^{[ 1 ]}

パイ中間子

粒子名	粒子記号	反粒子記号	クォーク含有量[ 15 ]	静止質量[ MeV / c^2 ]	IG^​	JPC^​​	S	C	B ′	平均寿命[秒]	一般的には（崩壊の5％以上） まで崩壊する
パイオン[ 1 ]	π^+	π^−	u d	139.570 39 ± 0.000 18	1 ^−	0 ^−	0	0	0	(2.6033 ± 0.0005) × 10 ^−8	μ^++ νμ
パイオン[ 1 ]	π^0	自己	${\displaystyle {\tfrac {\mathrm {u{\bar {u}}} -\mathrm {d{\bar {d}}} }{\sqrt {2}}}}$ ^[あ]	134.9768 ± 0.0005	1 ^−	0 ^−+	0	0	0	（8.5 ± 0.2）× 10 ^−17	γ + γ

^[a] ^ π のクォーク構成⁰クォークの質量がゼロではないという複雑な問題のため、アップクォークとダウンクォークの間で正確に分割されるわけではない。^{[ 16 ]}

参照

• 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

参考文献

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さらに読む

• ブラウン, GE ; ジャクソン, AD (1976).核子-核子相互作用. アムステルダム, オランダ: North-Holland Publishing. ISBN 0-7204-0335-9。

外部リンク

• ウィキメディア・コモンズにおけるパイ中間子に関するメディア
• 粒子データグループの中間子