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基本性質(zhì)

π 介子擁有0自旋，由第一代夸克組成。在夸克模型中，一個上夸克和一個反下夸克構(gòu)成一個 π ，一個下夸克和一個反上夸克構(gòu)成一個 π ，它們互為反粒子。中性的組合——上夸克和反上夸克、下夸克和反下夸克組成 π ，它們擁有相同的量子數(shù)，因而只能在疊加現(xiàn)。最低能量的疊加是 π ，它的反粒子就是自己。

帶電 π 介子衰變

π 介子輕子型衰變的費曼圖

π 介子擁有139.6MeV/c 的質(zhì)量，和2.6×10 s的平均壽命。它們因弱作用而衰變。主要的衰變形式（占99.9877%）是純輕子型衰變，變成一個μ子和一個中微子。

第二種衰變模式（占0.0123%）是衰變成一個電子和一個電中微子。（由歐洲核子研究組織在1958年發(fā)現(xiàn)）

μ M子型衰變對電子型衰變的抑制作用的系數(shù)大約是

R π π --> = ( m e / m μ μ --> ) 2 ( M π π --> 2 ? ? --> M e 2 M π π --> 2 ? ? --> M μ μ --> 2 ) 2 {\displaystyle R_{\pi }=(m_{e}/m_{\mu })^{2}\left({\frac {M_{\pi }^{2}-M_{e}^{2}}{M_{\pi }^{2}-M_{\mu }^{2}}}\right)^{2}}

這是一種自旋效應，稱為螺旋抑制。

除了純輕子型衰變，還有一種由結(jié)構(gòu)決定的放射性輕子型衰變。這種β 衰變非常少見（幾率大約是10 ），最終生成一個中性 π 介子。

中性 π 介子衰變

π 介子的質(zhì)量稍小，是135.0 MeV/c ，平均壽命則短得多，是8.4×10 s。它的衰變是由于電磁力的作用。它的主要衰變形式（占98.798%）是衰變成兩個光子。

它的第二種衰變方式（占1.198%）——達利茨衰變是衰變成一個光子和一對電子、正電子。

π 介子衰變的幾率在粒子物理學的分支，如手征微擾理論中非常重要。這個比率可由 π 介子衰變常量（ ? π ）表示，大約是90 MeV。

^ 由于夸克質(zhì)量非零而不準確。

歷史

湯川秀樹在1935年的理論工作預測到了存在攜帶強核力的介子。在核力的作用范圍內(nèi)（猜想是原子核的半徑），湯川秀樹預測這種粒子的質(zhì)量約為100 MeV/c2。緊接著，在1936年發(fā)現(xiàn)了μ子之后，人們曾認為這就是湯川秀樹預測的粒子——它的質(zhì)量是106 MeV/c2。但是，接下來的實驗表明，μ子并不參與強核力的作用。用現(xiàn)在的術(shù)語來講，μ子是一種輕子，而非介子。

在1947年第一個真正的介子——帶電的π介子在塞西爾·鮑威爾、塞薩爾·拉特斯和朱塞佩·奧基亞利尼的合作下在布里斯托爾大學被發(fā)現(xiàn)。由于粒子加速器尚未誕生，高能量只能來自于大氣中的宇宙射線。研究者在很長一段時間之內(nèi)都需要把感光乳膠放在海拔很高的地方（最初在比利牛斯山的南日比戈爾峰，后來搬到了安第斯山的卡考塔亞峰），以讓它暴露在高能射線中。在覆蓋好這些實驗品之后，研究者通過顯微鏡觀察到了帶電粒子的蹤影。π介子最初被它們異常的“雙介子”特性而被確認——它們衰變成另一種“介子”（μ子）。1948年，拉特斯和尤金·加德納采用加利福尼亞大學伯克利分校的粒子加速器，用α粒子轟擊碳原子，成功地人造出π介子

1949年，湯川秀樹因成功預測π介子而獲得諾貝爾物理學獎。次年，鮑威爾因發(fā)展了采用感光乳膠確定粒子的方法也獲得了同一獎項。

由于不帶電，中性π介子相對帶電的π介子來說很難發(fā)現(xiàn)：它在感光乳膠上沒有痕跡。它的存在是由它的衰變產(chǎn)物證明的——因此它被稱為電子和光子的“軟結(jié)合”。 π 的衰變產(chǎn)物——2個光子在1950年被伯克利的加速器確認；同年英國布里斯托爾大學在宇宙射線氣球?qū)嶒炛幸舶l(fā)現(xiàn)了它。

π介子在宇宙論中也為宇宙射線能量增加了上限——GZK極限。

根據(jù)現(xiàn)代物理學對強相互作用的解釋（量子色動力學），π介子被認為是手征對稱性破缺的戈德斯通玻色子的對應粒子。這解釋了π介子輕于其他介子（如η"介子，958 MeV/c2）的原因。根據(jù)戈德斯通定理的預測，如果構(gòu)成它們的夸克沒有質(zhì)量（符合手征對稱性），那么π介子的質(zhì)量就為零。但是夸克實際上有一點質(zhì)量，因此π介子質(zhì)量也不大。

一些公共單位發(fā)現(xiàn)了π介子在輻射療法上的作用。這些單位包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室——它用這種療法在1974年至1981年間治療了228位病人[1][2]。

參見

介子素原子

粒子列表

夸克模型

明顯對稱性破缺

延伸閱讀

Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction , (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9

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