Пі-мезо́н, піо́н (грэч.: πῖ — літара пі і μέσον — сярэдні) — тры віды субатамных часціц з групы мезонаў. Абазначаюцца π0, π+ і π−. Маюць найменшую масу сярод мезонаў. Былі адкрыты ў 1947 годзе.
Піоны маюць нулявы спін і складаюцца з пары кварк-антыкварк першага пакалення. Паводле кваркавай мадэлі u- і анты-d-кваркі ўтвараюць π+-мезон, з d і анты-u-кваркаў складаецца яго антычасціца, π−-мезон. Электрычна-нейтральныя камбінацыі u і анты-u і d і анты-d могуць існаваць толькі ў выглядзе суперпазіцыі, бо яны маюць аднолькавы набор квантавых лікаў. Самы нізкі энергетычны стан падобнай суперпазіцыі ёсць π0 мезон, які з’яўляецца антычасціцаю для самога сябе (сапраўды нейтральная часціца, як фатон).
Мезоны
π
,
π
−
{\displaystyle \pi ^{+},\pi ^{-}}
маюць масу 139,6 MэВ/c² і адносна вялікі, па ядзерных мерках, перыяд паўраспаду 2,6×10−8 секунды. Асноўным каналам распаду (з імавернасцю 99,9877 %) з’яўляецца канал распаду на мюон і нейтрына ці антынейтрына:
π
→
μ
ν
μ
,
{\displaystyle \pi ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu },,}
π
−
→
μ
−
ν ¯
μ
.
{\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }.,}
Наступным па імавернасці каналам распаду зараджаных піонаў з’яўляецца моцна заглушаны (малаімаверны: 0,0123 %) распад дадатнага піона на пазітрон і электроннае нейтрына
π
→
e
ν
e
,
{\displaystyle \pi ^{+}\to e^{+}+\nu _{e},}
адмоўнага піона — на электрон і электроннае антынейтрына
π
−
→
e
−
ν ¯
e
.
{\displaystyle \pi ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}
Прычына заглушэння электронных распадаў у параўнанні з мюоннымі заключаецца ў захаванні спіральнасці для ультрарэлятывісцкіх часціц: кінетычная энергія як электрона, так і нейтрына ў гэтым распадзе значна большая за іх масы, таму іх спіральнасць з высокай дакладнасцю захоўваецца.
Нейтральны пі-мезон
π
0
{\displaystyle \pi ^{0}}
мае трохі меншую масу 135,0 MэВ/c² і значна меншы перыяд паўраспаду 8,4×10−17 секунды. Галоўным (імавернасць 98,798 %) з’яўляецца канал распаду на два фатоны:
π
0
→ 2 γ .
{\displaystyle \pi ^{0}\to 2\gamma .}
Распад нейтральнага піона абумоўлен электрамагнітным узаемадзеяннем, тады як зараджаныя піоны распадаюцца праз слабае ўзаемадзеянне, пастаянная сувязі якога значна меншая. Таму перыяды паўраспадаў нейтральнага і зараджанага піонаў істотна адрозніваюцца.
Цотнасць піона адмоўная, яго спін нулявы, таму гэта часціца з’яўляецца псеўдаскалярнаю.
У тэарэтычнай працы Х. Юкавы ў 1935 годзе было прадказана існаванне часціц-пераносчыкаў моцнага ўзаемадзеяння — мезонаў (спачатку Юкава прапанаваў быў назву мезатрон, але яго паправіў В. Гейзенберг, чый бацька выкладаў грэчаскую мову). У 1947 годзе зараджаныя піоны былі эксперыментальна выяўлены групай даследчыкаў пад кіраўніцтвам С. Пауэла. А як паскаральнікаў з энергіяй, дастатковай для параджэння піонаў, у той час яшчэ не было, пошук ажыццяўляўся з дапамогай фотапласцінак, паднятых на аэрастаце ў стратасферу, дзе яны траплялі пад уздзеянне касмічных прамянёў (фотапласцінкі таксама ўстанаўліваліся ў гарах, напрыклад, у астрафізічнай лабараторыі на вулкане Чакалтайя ў Андах). Пасля спуску паветранага шара на фотаэмульсіі былі выяўлены сляды зараджаных часціц, сярод якіх былі мезоны. За свае дасягненні Х. Юкава ў 1949 г. і С. Пауэл у 1950 г. былі ўзнагароджаны Нобелеўскаю прэміяй.
Выявіць нейтральны мезон
π
0
{\displaystyle \pi ^{0}}
значна цяжэй, бо з-за свае электрычнай нейтральнасці ён не пакідае слядоў у фотаэмульсіі. Мезон
π
0
{\displaystyle \pi ^{0}}
быў выяўлен па прадуктах распаду ў 1950 годзе.
Піоны з’яўляюцца псеўда-голдстоўнаўскімі базонамі (базонамі Намбу — Голдстоўна са спантана парушанаю сіметрыяй). Гэта з’яўляецца прычынай таго, што маса піонаў значна меншая за масу іншых мезонаў, напрыклад η-мезона (547,75 МэВ/c²).
На цяперашні час, згодна з квантавай хромадынамікай, вядома, што моцнае ўзаемадзеянне пераносіцца глюонамі. Тым не менш, можна сфармуляваць так званую эфектыўную тэорыю ўзаемадзеяння ўнутрыядзерных часціц (Сігма-мадэль), у якой пераносчыкамі ўзаемадзеяння з’яўляюцца піоны. Нягледзячы на тое, што гэта тэорыя (прапанаваная Х. Юкавой) справядліва толькі для пэўнага прамежку энергій, яна дазваляе праводзіць спрошчаныя разлікі ў гэтым дыяпазоне і даваць больш наглядныя тлумачэнні. Напрыклад, сілы ўзаемадзеяння, якія пераносяцца піонамі, можна кампактна апісаць з дапамогай патэнцыялу Юкавы.