بيون

في فيزياء الجسيمات ، يُعرف البيون ( يُلفظ /ˈpaɪ.ɒn/ ، بايون ) أو ميزون باي ، الذي يُرمز له بالحرف اليوناني باي ( π ) ^، بأنه أي من الجسيمات دون الذرية الثلاثة : π⁰، π ⁺، و π ⁻يتكون كل بيون من كوارك وكوارك مضاد ^، ولذلك فهو ميزون . البيونات هي أخف الميزونات، وبشكل أعم، أخف الهادرونات . وهي غير مستقرة، حيث تكون البيونات المشحونة π⁺و π ⁻يتحلل بعد متوسط ​​عمر يبلغ 26.033 نانوثانية ( 2.6033 × 10 ⁻⁸  ثانية)، والبيون المحايد π ⁰يتحلل بعد عمر أقصر بكثير يبلغ 85 أتوثانية ( 8.5 × 10 ⁻¹⁷  ثانية). ^{[ 2 ]} تتحلل البيونات المشحونة في أغلب الأحيان إلى ميونات ونيوترينوات الميون ، بينما تتحلل البيونات المتعادلة عمومًا إلى أشعة جاما .

يُفسر تبادل البيونات الافتراضية ، إلى جانب ميزونات المتجهات ، ورو ، وأوميغا ، القوة النووية القوية المتبقية بين النيوكليونات . لا تُنتج البيونات في الاضمحلال الإشعاعي ، ولكنها تُنتج عادةً في تصادمات عالية الطاقة بين الهادرونات . كما تنتج البيونات أيضًا من بعض أحداث إفناء المادة والمادة المضادة . وتُنتج جميع أنواع البيونات أيضًا في العمليات الطبيعية عندما تتفاعل بروتونات الأشعة الكونية عالية الطاقة ومكونات الأشعة الكونية الهادرونية الأخرى مع المادة في الغلاف الجوي للأرض . في عام 2013، أظهر رصد أشعة غاما المميزة الناتجة عن اضمحلال البيونات المتعادلة في بقايا مستعرين أعظمين أن البيونات تُنتج بكثرة بعد المستعرات العظمى، على الأرجح بالتزامن مع إنتاج بروتونات عالية الطاقة تُكتشف على الأرض كأشعة كونية. ^{[ 3 ]}

يلعب البيون أيضًا دورًا حاسمًا في علم الكونيات، من خلال فرض حد أعلى على طاقات الأشعة الكونية التي تنجو من التصادمات مع إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، من خلال حد جريزن-زاتسيبين-كوزمين . ^{[ 4 ]}

تنبأت دراسة نظرية أجراها هيديكي يوكاوا عام 1935 بوجود الميزونات كجسيمات حاملة للقوة النووية القوية . ^{[ 5 ] [ 6 ]} ومن خلال مدى القوة النووية القوية (المستنتج من نصف قطر نواة الذرة )، تنبأ يوكاوا بوجود جسيم كتلته حوالي100 ميغا إلكترون ^فولت  / ثانية² . ^{[ 7 ]} في البداية، بعد اكتشافه عام 1936، اعتُقد أن الميون (الذي كان يُطلق عليه في البداية اسم "ميزوترون" أو " ميزون ميو ") هو هذا الجسيم، نظرًا لكتلته البالغة 100 ميغا إلكترون فولت/ثانية².106 ميغا إلكترون ^فولت  / ثانية² . ^{[ 8 ] [ 9 ]} مع ذلك، أظهرت تجارب لاحقة أن الميون لا يشارك في التفاعل النووي القوي. ^{[ 10 ] [ 8 ]} في المصطلحات الحديثة، هذا يجعل الميون ليبتونًا ، وليس ميزونًا . أما البيونات، التي تم تحديدها لاحقًا على أنها الميزونات التي تنبأ بها يوكاوا، فقد تم تأكيدها فيما بعد: بيونات مشحونة في عام 1947 وبيونات متعادلة في عام 1950. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

في عامي 1941-1942، أبلغت بيبها تشودري وديبندرا موهان بوس عن مسارات ميزونات الأشعة الكونية في معهد بوس ، والتي اعتبرها المؤرخون اللاحقون دليلاً مبكراً على وجود البيونات. ^{[ 13 ] [ 14 ]} على الرغم من تطوير مسرعات الجسيمات بحلول أوائل الثلاثينيات، ^{[ 15 ]} ظلت الأشعة الكونية الجوية المصدر الرئيسي للجسيمات دون الذرية عالية الطاقة حتى توفرت مسرعات الطاقة العالية في أوائل الخمسينيات. ^{[ 16 ]} وُضعت مستحلبات فوتوغرافية لفترات طويلة في مواقع تقع على قمة جبل ساندكفو في ولاية البنغال الغربية الحالية ، وفي مدينة فاريجونغ الواقعة في التبت . سُجلت الجسيمات في ساندكفو (حوالي 10 ...221 م _[ ​كانت الجسيمات التي تبلغ طاقتها 113 ميغا إلكترون فولت  / ^ثانية أخف من تلك التي رُصدت في فاريجونغ (حوالي278 م _[ ​^[ 142  MeV/ c² ])، مما أدى إلى استنتاج مبدئي بأن الجسيمات الأخف (الميونات) هي ناتج تحلل الجسيمات الأثقل (البيونات). ومع ذلك، لم يكن من الممكن إجراء دراسات متابعة نظرًا لتوافر ألواح نصفية فقط خلال الحرب العالمية الثانية . ^{[ 1 ] [ 17 ]} وفي عام 1947، حصل فريق بحثي بقيادة سيسيل باول في جامعة بريستول بإنجلترا على نتائج أكثر حسمًا باستخدام ألواح كاملة في بيك دو ميدي دي بيغور في جبال البرانس ، ولاحقًا في تشاكالتايا بجبال الأنديز ، وهو ما نال باول بفضله جائزة نوبل في الفيزياء عام 1950. وكانت ماريتا كورتز أول من اكتشف مسارات "الميزون المزدوج" غير العادية عند فحص ألواح فريق باول، وهي سمة مميزة لتحلل البيون إلى ميون ، لكنها كانت قريبة جدًا من حافة المستحلب الفوتوغرافي، فاعتُبرت غير مكتملة. بعد بضعة أيام، لاحظت إيرين روبرتس آثار تحلل البيون التي ظهرت في ورقة الاكتشاف. وقد ذُكر اسم كلتا السيدتين في شرح الأشكال في المقالة، كما ذُكرت الدراسة السابقة التي أجراها تشودري وبوز. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

في عام 1948، نجح لاتيس ويوجين غاردنر وفريقهما لأول مرة في إنتاج البيونات صناعيًا في السيكلوترون بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، كاليفورنيا ، وذلك عن طريق قذف ذرات الكربون بجسيمات ألفا عالية السرعة . وقد أجرى رياض الدين مزيدًا من العمل النظري المتقدم ، حيث استخدم في عام 1959 علاقة التشتت لتشتت كومبتون للفوتونات الافتراضية على البيونات لتحليل نصف قطر شحنتها. ^{[ 20 ]}

بما أن البيون المتعادل غير مشحون كهربائيًا ، فإنه يصعب اكتشافه ومراقبته مقارنةً بالبيونات المشحونة. لا تترك البيونات المتعادلة آثارًا في المستحلبات الفوتوغرافية أو غرف ويلسون السحابية . وقد استُدل على وجود البيون المتعادل من خلال رصد نواتج تحلله من الأشعة الكونية ، وهي ما يُسمى "المكون اللين" للإلكترونات البطيئة، بواسطة ^{الفوتونات} .تم التعرف عليها بشكل قاطع في السيكلوترون بجامعة كاليفورنيا عام 1949 من خلال مراقبة تحللها إلى فوتونين. ^{[ 21 ]} وفي وقت لاحق من نفس العام، تم رصدها أيضًا في تجارب بالونات الأشعة الكونية في جامعة بريستول.

... اختار يوكاوا الحرف π بسبب تشابهه مع حرف الكانجي介[ kai ]، والذي يعني "التوسط"، استنادًا إلى فكرة أن الميزون يعمل كجسيم وسيط للقوة النووية القوية بين الهادرونات. ^{[ 22 ]}

تم استكشاف استخدام البيونات في العلاج الإشعاعي الطبي، مثل علاج السرطان، في عدد من المؤسسات البحثية، بما في ذلك مرفق فيزياء الميزون التابع لمختبر لوس ألاموس الوطني ، والذي عالج 228 مريضًا بين عامي 1974 و1981 في نيو مكسيكو ، ^{[ 23 ]} ومختبر TRIUMF في فانكوفر، كولومبيا البريطانية . 

في الفهم السائد لتفاعل القوة النووية القوية ، كما تحدده الديناميكا اللونية الكمومية ، تُصوَّر البيونات بشكل عام على أنها بوزونات غولدستون ذات تناظر كيرالي مكسور تلقائيًا . وهذا يفسر سبب كون كتل الأنواع الثلاثة من البيونات أقل بكثير من كتلة الميزونات الأخرى، مثل الميزونات العددية أو المتجهة. فلو كانت كواركات البيونات الحالية جسيمات عديمة الكتلة، لأصبح التناظر الكيرالي تامًا، وبالتالي لكانت نظرية غولدستون تنص على أن جميع البيونات عديمة الكتلة.

في الواقع، لقد أظهر جيل مان وأوكس ورينر (GMOR) ^{[ 24 ]} أن مربع كتلة البيون يتناسب مع مجموع كتل الكواركات مضروبة في مكثف الكواركات : $${\displaystyle M_{\pi }^{2}=(m_{\text{u}}+m_{\text{d}})B+{\mathcal {O}}(m^{2}),}$$ مع B مكثف الكوارك: $${\displaystyle B=\left\vert {\frac {\rm {\langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle }}{f_{\pi }^{2}}}\right\vert _{m_{\text{q}}\to 0}}$$ يُعرف هذا غالبًا باسم علاقة GMOR ، وهو يوضح ذلك بشكل صريح.${\displaystyle M_{\pi }=0}$في حالة الكواركات عديمة الكتلة. وتنتج النتيجة نفسها أيضاً من التصوير المجسم للجبهة الضوئية . ^{[ 25 ]}

تجريبياً، بما أن الكواركات الخفيفة لها كتل ضئيلة غير صفرية، فإن البيونات لها أيضاً كتل سكون غير صفرية . ومع ذلك، فإن هذه الكتل أصغر بنحو عشرة أضعاف من كتلة النيوكليونات، تقريباً ^{[ 24 ].}${\displaystyle \ m_{\pi }\approx {\tfrac {\sqrt {v\ m_{\text{q}}\ }}{\ f_{\pi }}}\approx {\sqrt {m_{\text{q}}\ }}\ }$45  ميغا إلكترون فولت، حيث m و _q هما كتل الكواركات الحالية ذات الصلة، حول5–10  ميغا إلكترون فولت/ c ² .

البيون هو أحد الجسيمات التي تتوسط التفاعل القوي المتبقي بين زوج من النيوكليونات . هذا التفاعل جاذب، إذ يجذب النيوكليونات نحو بعضها. يُسمى هذا التفاعل، عند كتابته بصيغة غير نسبية، بجهد يوكاوا . ولأن البيون عديم اللف المغزلي، فإن حركيته تُوصف بمعادلة كلاين-غوردون . في نظرية الحقل الكمومي ، يُطلق على لاغرانجيان نظرية الحقل الفعال الذي يصف تفاعل البيون مع النيوكليون اسم تفاعل يوكاوا .

الكتل المتطابقة تقريبًا لـ π ^±و π ⁰يشير هذا إلى وجود تناظر مُحدد: يُسمى هذا التناظر بتناظر النكهة SU(2) أو التناظر النظائري . والسبب في وجود ثلاثة بيونات، π ⁺، π ⁻و π ⁰، أي أن هذه تُفهم على أنها تنتمي إلى التمثيل الثلاثي أو التمثيل المرافق 3 لـ SU(2). في المقابل، تتحول الكواركات العلوية والسفلية وفقًا للتمثيل الأساسي 2 لـ SU(2)، بينما تتحول الكواركات المضادة وفقًا للتمثيل المرافق 2* .

بإضافة الكوارك الغريب ، تشارك البيونات في تناظر نكهة أكبر، SU(3)، في التمثيل المرافق، 8 ، لـ SU(3). أما الأعضاء الآخرون في هذه المجموعة الثمانية فهم الكاونات الأربعة وميزون إيتا .

تُعتبر البيونات جسيمات شبه قياسية تحت تحويل التكافؤ . وبالتالي، تقترن تيارات البيونات بتيار المتجه المحوري، ومن ثم تشارك في الشذوذ الكيرالي .

تتكون البيونات، وهي ميزونات ذات لف مغزلي صفري ، من كواركات الجيل الأول . في نموذج الكواركات ، يتكون π ⁺ من كوارك علوي وكوارك سفلي مضاد .بينما يشكل الكوارك السفلي والكوارك العلوي المضاد جسيم π ⁻وهذه هي الجسيمات المضادة لبعضها البعض. البيون المتعادل π ⁰هو مزيج من كوارك علوي مع كوارك علوي مضاد، أو كوارك سفلي مع كوارك سفلي مضاد. يمتلك كلا المزيجين نفس العدد الكمي ، ولذلك لا يُوجدان إلا في حالات التراكب . أدنى تراكب طاقة بينهما هو π ⁰، وهو جسيمه المضاد. تشكل البيونات معًا ثلاثية من الإيزوسبين . لكل بيون إيزوسبين كلي ( I = 1 ) وإيزوسبين مكون ثالث يساوي شحنته ( I _z = +1, 0, −1 ).

تحلل البيون المشحون

π ^±​كتلة الميزونات هي139.6  ميغا إلكترون فولت/ ثانية ^ومتوسط ​​عمر يبلغ2.6033 × 10⁻⁸ ثانية . تتحلل هذه ^{الجسيمات}  بسبب التفاعل الضعيف . نمط التحلل الأساسي للبيون، بنسبة تفرع تبلغ 0.999877، هو تحلل لبتوني إلى ميون ونيوترينو ميون . $${\displaystyle {\begin{align}\pi ^{+}&\longrightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \mu ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mu }\end{محاذاة}}}$$

يُعدّ نمط الاضمحلال الثاني الأكثر شيوعًا للبيون، بنسبة تفرع تبلغ 0.000123، هو أيضًا اضمحلال لبتوني إلى إلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني مُقابل . وقد اكتُشف هذا "النمط الإلكتروني" في سيرن عام 1958: ^{[ 26 ]}$${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow {\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow {\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

يتم تحديد قمع نمط الاضمحلال الإلكتروني بالنسبة لنمط الاضمحلال الميوني تقريبًا (حتى تأثير التصحيحات الإشعاعية بنسبة قليلة في المائة) من خلال نسبة نصف عرض تفاعلات اضمحلال البيون-الإلكترون والبيون-الميون. $${\displaystyle R_{\pi }=\left({\frac {m_{e}}{m_{\mu }}}\right)^{2}\left({\frac {m_{\pi }^{2}-m_{e}^{2}}{m_{\pi }^{2}-m_{\mu }^{2}}}\right)^{2}=1.283\times 10^{-4}}$$ وهو تأثير دوراني يُعرف باسم كبح الحلزونية .

آلية حدوث ذلك هي كالتالي: يمتلك البيون السالب عزمًا مغزليًا صفريًا؛ لذا يجب أن ينبعث الليبتون والنيوترينو المضاد بعزم مغزلي متعاكس (وزخم خطي متعاكس) للحفاظ على عزم مغزلي صفري (والحفاظ على الزخم الخطي). مع ذلك، ولأن التفاعل الضعيف حساس فقط لمكون الكيرالية اليسرى للحقول، فإن النيوترينو المضاد يمتلك دائمًا كيرالية يسارية، مما يعني أنه يميني، لأن الحلزونية في الجسيمات المضادة عديمة الكتلة تكون معاكسة للكيرالية. هذا يعني أن الليبتون يجب أن ينبعث بعزم مغزلي في اتجاه زخمه الخطي (أي يميني أيضًا). لكن لو كانت الليبتونات عديمة الكتلة، لتفاعلت مع البيون فقط في شكلها الأيسر (لأن الحلزونية في الجسيمات عديمة الكتلة هي نفسها الكيرالية)، ولتم حظر نمط الاضمحلال هذا. لذلك، فإن كبح مسار اضمحلال الإلكترون ناتج عن حقيقة أن كتلة الإلكترون أصغر بكثير من كتلة الميون. يُعتبر الإلكترون عديم الكتلة نسبياً مقارنةً بالميون، وبالتالي فإن النمط الإلكتروني مكبوت بشكل كبير مقارنة بالنمط الميوني، بل يكاد يكون محظوراً. ^{[ 27 ]}

على الرغم من أن هذا التفسير يوحي بأن انتهاك التكافؤ هو سبب كبح الحلزونية، إلا أن السبب الأساسي يكمن في الطبيعة المتجهة للتفاعل، والتي تفرض اتجاهًا مختلفًا للنيوترينو والليبتون المشحون. وبالتالي، حتى التفاعل الذي يحافظ على التكافؤ سيؤدي إلى نفس الكبح.

لطالما اعتُبرت قياسات النسبة المذكورة أعلاه اختبارًا لشمولية الليبتونات لعقود . تجريبيًا، هذه النسبة هي1.233(2) × 10 ⁻⁴ . ^{[ 2 ]}

إلى جانب الاضمحلالات الليبتونية البحتة للبيونات، لوحظت أيضًا بعض الاضمحلالات الليبتونية الإشعاعية المعتمدة على البنية (أي الاضمحلال إلى الليبتونات المعتادة بالإضافة إلى أشعة جاما).

كما لوحظ أيضًا، بالنسبة للبيونات المشحونة فقط، حدوث " تحلل بيتا للبيون" النادر جدًا (مع نسبة تفرع تبلغ حوالي 10 ⁻⁸ ) إلى بيون متعادل وإلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني (أو بالنسبة للبيونات الموجبة، بيون متعادل وبوزيترون ونيوترينو إلكتروني). $${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

يُعد معدل اضمحلال البيونات كميةً بارزةً في العديد من المجالات الفرعية لفيزياء الجسيمات، مثل نظرية الاضطراب الكيرالي . ويتم تحديد هذا المعدل بواسطة ثابت اضمحلال البيون ( fπ ₎ ، المرتبط بتداخل دالة الموجة للكوارك والكوارك المضاد، والذي يبلغ حوالي130  ميغا إلكترون فولت . ^{[ 28 ]}

اضمحلالات البيون المتعادلة

π ⁰​كتلة الميزون هي135.0  ميغا إلكترون فولت/ ثانية ^ومتوسط ​​عمر يبلغ8.5 × 10 ⁻¹⁷  ثانية . ^{[ 2 ]} يتحلل عبر القوة الكهرومغناطيسية ، مما يفسر سبب كون متوسط ​​عمره أصغر بكثير من متوسط ​​عمر البيون المشحون (الذي لا يمكن أن يتحلل إلا عبر القوة الضعيفة ).

π ⁰ المهيمننمط الاضمحلال، بنسبة تفرع BR γγ = 0.98823 _، هو إلى فوتونين : $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow 2\ \gamma }$$

اضمحلال π ⁰إن انبعاث 3 γ (وكذلك الاضمحلالات إلى أي عدد فردي من الفوتونات) ممنوع بسبب التناظر C للتفاعل الكهرومغناطيسي: التناظر C الجوهري لـ π ⁰وهي +1، بينما التكافؤ C لنظام من n فوتون هو ( − 1) ⁿ .

ثاني أكبر قيمة لـ π ⁰نمط الاضمحلال ( BR _{γe e} = 0.01174 ) هو اضمحلال داليتز (سمي على اسم ريتشارد داليتز )، وهو اضمحلال ثنائي الفوتون مع تحويل داخلي للفوتون ينتج عنه فوتون وزوج إلكترون - بوزيترون في الحالة النهائية: $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow \gamma +{\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

ثالث أكبر نمط اضمحلال معروف ( BR _{2e2 e} = 3.34 × 10^(-5 ) هو اضمحلال داليتز المزدوج، حيث يخضع كلا الفوتونين لتحويل داخلي يؤدي إلى مزيد من كبح المعدل: $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow {\rm {2\ e^{-}+2\ e^{+}}}}$$

يُعد نمط الاضمحلال الرابع الأكثر شيوعًا هو نمط الاضمحلال الليبتوني الناتج عن الحلقة ، وبالتالي فهو مُثبَّط (ومُثبَّط أيضًا بسبب الحلزونية ) ( BR _{e e} = 6.46 × 10⁻⁸ ): $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow {\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

كما لوحظ أن البيون المتعادل يتحلل إلى بوزيترونيوم بنسبة تفرع تبلغ حوالي 10^-9 . لم يتم تحديد أنماط اضمحلال أخرى تجريبياً. تمثل نسب التفرع المذكورة أعلاه القيم المركزية لـ PDG ، وقد تم حذف عدم اليقين فيها، ولكنها متاحة في المنشور المذكور. ^{[ 2 ]}

بيونز

اسم الجسيم	رمز الجسيم	رمز الجسيم المضاد	محتوى الكوارك [ 29 ]	كتلة السكون [ MeV / c 2 ]	أنا جي	لجنة التحقيق المشتركة	S	ج	ب ′	متوسط ​​العمر [ ثانية ]	يتحلل عادةً إلى (>  5% من حالات التحلل)
بيون [ 2 ]	π +	π −	u d	139.570 39 ± 0.000 18	1 −	0 −	0	0	0	(2.6033 ± 0.0005) × 10 −8	μ ++ νμ
بيون [ 2 ]	π 0	الذات	${\displaystyle {\tfrac {\mathrm {u{\bar {u}}} -\mathrm {d{\bar {d}}} }{\sqrt {2}}}}$[أ]	134.9768 ± 0.0005	1 −	0 − +	0	0	0	(8.5 ± 0.2) × 10 −17	γ + γ

^[أ] ^ التركيب الكواركي لـ π ⁰لا يتم تقسيمها بدقة بين الكواركات العلوية والسفلية، وذلك بسبب التعقيدات الناتجة عن كتل الكواركات غير الصفرية. ^{[ 30 ]}

• النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات
• الصياغة الرياضية للنموذج القياسي
• بيونيوم
• نموذج الكوارك
• القوى الساكنة وتبادل الجسيمات الافتراضية
• تحديد معلمات سانفورد-وانغ

• براون، جي إي ؛ جاكسون، إيه دي (1976). تفاعل النيوكليون-النيوكليون . أمستردام، هولندا: دار نشر نورث هولاند. ISBN 0-7204-0335-9.

• الوسائط المتعلقة بـ Pions على ويكيميديا ​​كومنز
• الميزونات في مجموعة بيانات الجسيمات