查看“︁Π介子”︁的源代码

{{NoteTA
|G1=物理学}}
{{lowercase}}
{{Infobox Particle
| bgcolour =
| name = <span style="font-family: Arial;">π</span>介子
| image = [[File:Quark structure pion.svg|250px]]
| caption = <span style="font-family: Arial;">π</span>介子的[[夸克]]构成。
| num_types = 3 
| composition = <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup>：u<font style="text-decoration: overline">d</font><br /><span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>：d<font style="text-decoration: overline">d</font> / u<font style="text-decoration: overline">u</font><br /><span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup>：d<font style="text-decoration: overline">u</font>
| family = [[玻色子]]
| group = [[介子]]
| generation =
| interaction = [[强相互作用|强]]、[[弱交互作用|弱]]、[[電磁力]]、[[引力]]
| antiparticle = 
| theorized = [[汤川秀树]]
| discovered = 
| symbol = <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup>、<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>和<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup>
| mass = <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>±</sup>：139.57018(35) [[MeV]]/[[光速|c]]<sup>2</sup><br /><span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>：134.9766(6) [[MeV]]/[[光速|c]]<sup>2</sup>
|mean_lifetime = π</span><sup>±</sup>：2.6×10<sup>-8</sup>s
π</span><sup>0</sup>：8.4×10<sup>-17</sup>s
| decay_time = <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>±</sup>：2.6×10<sup>−8</sup>s，<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>：8.4×10<sup>−17</sup>
| decay_particle =
| electric_charge = <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>±</sup>：±[[元电荷|e]]<br /><span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>：0
| color_charge =
| spin = 0
| num_spin_states = 
}}
在[[粒子物理学]]中，'''<span style="font-family: Arial;">π</span>介子'''是以下三种[[次原子粒子]]之一：<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup>、<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>和<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup>。<span style="font-family: Arial;">π</span>介子是最重要的[[介子]]之一，在揭示强核力的低能量特性中起着重要的作用。

== 基本性质 ==
<span style="font-family: Arial;">π</span>介子拥有0[[自旋]]，由第一[[代 (粒子物理学)|代]][[夸克]]组成。在[[夸克模型]]中，一个上夸克和一个反下夸克构成一个<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup>，一个下夸克和一个反上夸克构成一个<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup>，它们互为[[反粒子]]。中性的组合——上夸克和反上夸克、下夸克和反下夸克组成<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>，它们拥有相同的[[量子数]]，因而只能在[[量子叠加|叠加]]中出现。最低能量的叠加是<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>，它的[[反粒子]]就是自己。

=== 带电<span style="font-family: Arial;">π</span>介子衰变 ===
[[File:PiPlus muon decay.svg|right|thumb|300px|<span style="font-family: Arial;">π</span>介子轻子型衰变的[[费曼图]]]]
<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>±</sup>介子拥有139.6[[MeV]]/[[光速|c]]<sup>2</sup>的[[质量]]，和2.6×10<sup>-8</sup>s的平均寿命。它们因[[弱力|弱作用]]而衰变。主要的衰变形式（占99.9877%）是纯[[轻子]]型衰变，变成一个[[μ子]]和一个[[μ中微子]]。

:{|
| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup> || → || <span style="font-family: Arial;">μ</span><sup>+</sup> || + || <span style="font-family: Arial;">ν<sub>μ</sub></span>
|--
| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup> || → || <span style="font-family: Arial;">μ</span><sup>−</sup> || + || <span style="font-family: Arial;"><font style="text-decoration: overline">ν</font><sub>μ</sub></span>
|}

第二种衰变模式（占0.0123%）是衰变成一个[[电子]]和一个[[电中微子]]。（由[[欧洲核子研究组织]]在1958年发现）
:{|
| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup> || → || e<sup>+</sup>	|| + ||<span style="font-family: Arial;">ν<sub>e</sub></span>
|--
| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup> || → || e<sup>-</sup> || + || <span style="font-family: Arial;"><font style="text-decoration: overline">ν</font><sub>e</sub></span>
|}

<span style="font-family: Arial;">μ</span>M子型衰变对电子型衰变的抑制作用的系数大约是

<math>R_\pi = (m_e/m_\mu)^2 \left(\frac{M_\pi^2-M_e^2}{M_\pi^2-M_\mu^2}\right)^2 </math>

这是一种[[自旋]]效应，称为[[螺旋 (粒子物理学)|螺旋]]抑制。

除了纯轻子型衰变，还有一种由结构决定的放射性轻子型衰变。这种[[β衰变|<span style="font-family: Arial;">β</span>衰变]]非常少见（几率大约是10<sup>−8</sup>），最终生成一个中性<span style="font-family: Arial;">π</span>介子。

=== 中性<span style="font-family: Arial;">π</span>介子衰变 ===
<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>介子的质量稍小，是135.0&nbsp;MeV/c<sup>2</sup>，平均寿命则短得多，是8.4×10<sup>-17</sup> s。它的衰变是由于[[电磁力]]的作用。它的主要衰变形式（占98.798%）是衰变成两个[[光子]]。

:{|
| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup> || → || 2 [[γ射线|<span style="font-family: Arial;">γ</span>]]
|}

它的第二种衰变方式（占1.198%）——[[理查德·达利茨|达利茨]]衰变是衰变成一个[[光子]]和一对[[电子]]、[[正电子]]。 
:{|
| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup> || → || [[γ射线|<span style="font-family: Arial;">γ</span>]] || + || e<sup>-</sup> || + || e<sup>+</sup>
|}

<span style="font-family: Arial;">π</span>介子衰变的几率在[[粒子物理学]]的分支，如[[手征微扰理论]]中非常重要。这个比率可由[[π介子衰变常量|<span style="font-family: Arial;">π</span>介子衰变常量]]（''ƒ''<sub>π</sub>）表示，大约是90 MeV。

{| class="wikitable sortable" style="text-align: center;"
|+<span style="font-family: Arial;">π</span>介子
|-
! class=unsortable|粒子名称
! 粒子<br />符号
! 反粒子<br />符号
! class=unsortable|夸克<br />构成<ref name=PDGQuarkmodel>C. Amsler ''et al.''. (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/quarkmodrpp.pdf Quark Model] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/quarkmodrpp.pdf |date=20110730230034 }}</ref>
! [[静止质量]] （[[MeV]]/[[光速|c]]<sup>2</sup>）
! width="50"|[[同位旋|I]]<sup>[[G宇称|G]]</sup>
! width="50"|[[总角动量|J]]<sup>[[宇称|P]][[C宇称|C]]</sup>
! width="50"|[[奇異數|S]]
! width="50"|[[魅數|C]]
! width="50"|[[底性|B']]
! [[平均寿命]] (s)
! class=unsortable|一般衰变产物<br>
（>5%）
|-
| <span style="font-family: Arial;">π</span>介子<ref name=PDGPion>C. Amsler ''et al.''. (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s008.pdf Particle listings – <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>±</sup>] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s008.pdf |date=20170126034048 }}</ref>
|align="center"| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>+</sup>
|align="center"| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>−</sup>
|align="center"| u<font style="text-decoration: overline">d</font>
|align="center"| 139.570&nbsp;18(35)
|align="center"| 1<sup>−</sup>
|align="center"| 0<sup>−</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| {{nowrap|2.6033 ± 0.0005 × 10<sup>−8</sup>}}
|align="center"| <span style="font-family: Arial;">μ</span><sup>+</sup> + <span style="font-family: Arial;">ν<sub>μ</sub></span>
|-
| <span style="font-family: Arial;">π</span>介子<ref name=PDGPion0>C. Amsler ''et al.''. (2008): [http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s009.pdf Particle listings – <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s009.pdf |date=20170211045653 }}</ref>
|align="center"| <span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>
|align="center"| 自身
|align="center"| <math>\tfrac{\mathrm{u\bar{u}} - \mathrm{d\bar{d}}}{\sqrt 2}</math><sup>{{ref|quarkcontent|[a]}}</sup>
|align="center"| 134.976&nbsp;6&nbsp;±&nbsp;0.000&nbsp;6
|align="center"| 1<sup>−</sup>
|align="center"| 0<sup>−+</sup>
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| 0
|align="center"| {{nowrap|8.4 ± 0.6 × 10<sup>−17</sup>}}
|align="center"| <span style="font-family: Arial;">γ</span> + <span style="font-family: Arial;">γ</span>
|-
|}
<sup>[a]</sup> {{note|quarkcontent}} 由于夸克质量非零而不准确。<ref>{{cite book|last=Griffiths|first=David J.|year=1987|title=Introduction to Elementary Particles|url=https://archive.org/details/introductiontoel0000grif_o7r4|isbn=0-471-60386-4|authorlink=David J. Griffiths|publisher=[[John Wiley & Sons]]}}</ref>

== 历史 ==

[[汤川秀树]]在1935年的理论工作预测到了存在携带[[强核力]]的介子。在核力的作用范围内（猜想是[[原子核]]的半径），汤川秀树预测这种粒子的质量约为100&nbsp;MeV/c²。紧接着，在1936年发现了[[μ子]]之后，人们曾认为这就是汤川秀树预测的粒子——它的质量是106&nbsp;MeV/c²。但是，接下来的实验表明，μ子并不参与强核力的作用。用现在的术语来讲，μ子是一种[[轻子]]，而非介子。

在1947年第一个真正的介子——带电的π介子在[[塞西尔·鲍威尔]]、[[塞萨尔·拉特斯]]和[[朱塞佩·奥基亚利尼]]的合作下在[[布里斯托尔大学]]被发现。由于[[粒子加速器]]尚未诞生，高能量只能来自于大气中的[[宇宙射线]]。研究者在很长一段时间之内都需要把[[感光乳胶]]放在海拔很高的地方（最初在[[比利牛斯山]]的[[南日比戈尔峰]]，后来搬到了[[安第斯山]]的[[卡考塔亚峰]]），以让它暴露在高能射线中。在覆盖好这些实验品之后，研究者通过显微镜观察到了带电粒子的踪影。π介子最初被它们异常的“双介子”特性而被确认——它们衰变成另一种“介子”（μ子）。1948年，拉特斯和[[尤金·加德纳]]采用[[加利福尼亚大学伯克利分校]]的[[粒子加速器]]，用[[α粒子]]轰击[[碳]]原子，成功地人造出π介子。

1949年，汤川秀树因成功预测π介子而获得[[诺贝尔物理学奖]]。次年，鲍威尔因发展了采用感光乳胶确定粒子的方法也获得了同一奖项。

由于不带电，中性π介子相对带电的π介子来说很难发现：它在感光乳胶上没有痕迹。它的存在是由它的衰变产物证明的——因此它被称为[[电子]]和[[光子]]的“软结合”。<span style="font-family: Arial;">π</span><sup>0</sup>的衰变产物——2个光子在1950年被伯克利的加速器确认；同年[[英国]]布里斯托尔大学在宇宙射线气球实验中也发现了它。

π介子在宇宙论中也为宇宙射线能量增加了上限——[[GZK极限]]。

根据现代物理学对[[强相互作用]]的解释（[[量子色动力学]]），π介子被认为是[[手徵對稱性破缺|手征对称性破缺]]的[[南部-戈德斯通定理|戈德斯通玻色子]]的对应粒子。这解释了π介子轻于其他介子（如η'介子，958&nbsp;MeV/c²）的原因。根据戈德斯通定理的预测，如果构成它们的[[夸克]]没有质量（符合[[手徵對稱性]]），那么π介子的质量就为零。但是夸克实际上有一点质量，因此π介子质量也不大。

一些國家单位发现了π介子在辐射疗法上的作用。这些单位包括[[洛斯阿拉莫斯国家实验室]]——它用这种疗法在1974年至1981年间治疗了228位病人[http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&list_uids=3114189&dopt=Abstract][https://web.archive.org/web/20081205175608/http://www.triumf.ca/welcome/pion_trtmt.html]。

{{blockquote|... 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.<ref>{{cite web|author=Zee, Anthony|author-link=Anthony Zee|title=Quantum Field Theory, Anthony Zee {{!}} Lecture 2 of 4 (lectures given in 2004)|date=December 7, 2013|publisher=aoflex|website=YouTube|url=https://www.youtube.com/watch?v=aypGTsLN0ck|access-date=2022-11-29|archive-date=2022-11-29|archive-url=https://web.archive.org/web/20221129190926/https://www.youtube.com/watch?v=aypGTsLN0ck|dead-url=no}} (quote at 57:04 of 1:26:39)</ref>}}

== 参见 ==
*[[介子素原子]]
*[[粒子列表]]
*[[夸克模型]]
*[[明顯對稱性破缺]]
== 参考资料 ==

{{reflist}}

== 延伸阅读 ==
* [[Gerald Edward Brown]] and A. D. Jackson, ''The Nucleon-Nucleon Interaction'', (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9

== 外部链接 ==
* [http://pdg.lbl.gov/2004/tables/mxxx.pdf Mesons] {{Wayback|url=http://pdg.lbl.gov/2004/tables/mxxx.pdf |date=20041018135016 }} at the Particle Data Group
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/hadron.html Mesons] {{Wayback|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/hadron.html |date=20170705095733 }} at Hyperphysics

{{粒子}}
{{DEFAULTSORT:P}}
[[Category:玻色子]]
[[Category:强子]]
[[Category:介子]]