Pion (particule)
Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
| Pions | |
| Propriétés générales | |
|---|---|
| Classification | Mésons |
| Composition | Paire quark-antiquark : • π+ : |
| Propriétés physiques | |
| Masse | • π+ : 139,57018(35) MeV.c-2 • π0 : 134.9766(6) MeV.c-2 |
| Charge électrique | • π+ : 1 e • π0 : 0 e |
| Charge de couleur | 0 |
| Spin | 0 |
| Durée de vie | • π+ : 2.60330(5)×10-8 s • π0 : 8,4(6)×10-17 s |
Un pion ou méson pi est une des trois particules : π+, π0 ou π−. Ils font partis de la famille des mésons. Les pions sont les mésons les plus légers et jouent un rôle important dans l'explication des propriétés à basse énergie de la force nucléaire forte. Notamment, la cohésion du noyau atomique est assuré par l'échange de pions entre les nucléons (protons et neutrons).
Sommaire |
[modifier] Caractéristiques
Les pions ont un spin égal à 0[1]. Les pions π+ et π- ont une masse de 139.570 18 ± 0,00035 MeV/c² et le pion π0 a une masse de 134.976 6 ± 0,0006 MeV/c2[2]. Comme leur nom l'indique, les pions +, - et 0 ont une charge électrique respectivement égale à 1, -1 et 0. Ils sont tout trois composés de quarks de première génération (quark ou antiquark up et down). Ainsi, le π+ est composé d'un quark up et d'un antidown, le π- d'un quark down et d'un antiup et le π0 de l'état superposé up/antiup et down/antidown (puisque ces deux combinaisons possèdent un nombre quantique identique)[3] ; de fait, le π0 est sa propre antiparticule[4] et le π- est l'antiparticule du π+[5].
[modifier] Description théorique
L'interaction liant les nucléons entre eux ne correspond pas directement à l'interaction forte, elle en est une conséquence : les nucléons n'ayant pas de charge de couleur, ils n'interagissent pas par échange de gluons mais par échange de pions[6]. Cette interaction peut changer la nature des nucléons selon qu'elle implique un pion neutre ou chargé : un neutron ou proton émettant un π0 gardera sa nature, mais un neutron émettant un π- ou un proton émettant un π+ donneront respectivement un proton et un neutron[6]. La théorie quantique des champs effective décrivant l'interaction entre pions et nucléons est appelé l'interaction de Yukawa[7].
Les pions ayant un spin égal à 0, leur dynamique est décrite par l'équation de Klein-Gordon[8].
[modifier] Désintégration
[modifier] Pions chargés
Les pions chargés ont une durée de vie de 2,603 3 ± 0,005 0 x 10-8s. Ils se désintègrent dans 99,987 70 ± 0,00004% des cas en un (anti)muon et un neutrino muonique via l'interaction faible[2] :
Dans 0.0123% des cas, la désintégration (toujours via l'interaction faible) donne un électron (positron) et un neutrino électronique[2] :
[modifier] Pion neutre
Le π0 a une masse légèrement plus petite que les pions chargés (134.976 6 ± 0.000 6 MeV/c²) et une durée de vie beaucoup plus courte de 8.4 ± 0.6 × 10−17. Au bout de cette durée, le π0 se désintègre de par l'interaction électromagnétique. La désintégration la plus courante (98.798% des désintégrations) donne deux photons gamma[2] :
Dans 1,198 ± 0.032 % des cas, les produits de la désintégration sont un photon gamma et une paire électron-positron[2] :
[modifier] Historique
[modifier] Prédiction et découverte
[modifier] Pions chargés
Les travaux théorique de Hideki Yukawa en 1935 avait prédit l'existence des mésons comme particules porteuses de l'interaction nucléaire forte[1]. D'après la portée de l'interaction (déduite du rayon du noyau de l'atome), Yukawa prédit l'existence d'une particule ayant une masse d'environ 100MeV[1]. Après sa découverte en 1936, on a pensé que le muon était cette particule puisqu'il avait une masse de 106 MeV[1]. Cependant, les expériences qui suivirent montrèrent que le muon ne participait pas à l'interaction forte[1].
En 1947, Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini de l'Université de Bristol découvre les premiers mésons : les pions π+ et π-[1]. Pour ce faire, Cecil Powell a envoyé des ballons à très hautes altitudes possédant des pellicules recouvertes d'une émulsion spécialement développée pour ce type d'expérience ; après avoir récupéré les pellicules, leur inspection a révélé la présence de traces de particules chargées, les pions[9].
Un an plus tard, Cesar Lattes et Eugene Gardner découvre à Berkeley la production de pions artificiels en bombardant des atomes de carbones avec des particules alpha[10].
Hideki Yukawa est récompensé en 1949 de Prix Nobel de Physique pour sa prédiction de l'existence des mésons d'après un travail théorique sur les interactions nucléaires[11], et Cecil Powell en 1950 pour son développement de la méthode photographique d'étude des mécanismes nucléaires et sa découverte des mésons grâce à cette méthode[12].
[modifier] Pion neutre
Le π0 a été découvert en 1950 au cyclotron de Berkeley[13] grâce aux produits de sa désintégration[14]. En effet, étant électriquement neutre, il ne laisse pas de trace sur une émulsion et n'a donc pas pû être observé directement ; ce sont les photons gammas et paires électron-positron qu'il donne qui ont permit de déduire son existence.
[modifier] Avancées et conséquences relatives aux mésons pi
- Le méson pi joue un rôle en cosmologie puisqu'il entre en compte dans le calcul de la limite GZK. Cette limite concerne l'énergie maximale des rayons cosmiques que l'on pourrait observer sur Terre : à partir d'une énergie de l'ordre de 1020 eV, le rayon cosmique interagit avec les photons du rayonnement fossile, produisant entre autres des pions[15] selon une des deux équations :
, où γ1 représente les photons du rayonnement fossile et γ2 le rayon cosmique.
- Dans le cadre de la chromodynamique quantique (théorie quantique des champs décrivant l'interaction nucléaire forte), le pion est un quasi-boson de Goldstone associé à la brisure spontanée de symétrie chirale[16]. Le théorème de Goldstone prédit que pour chaque brisure spontanée de symétrie, un boson sans masse devrait apparaître, les pions devrait donc avoir une masse nulle. Cependant, il a été observé expérimentalement que les pions avaient une masse. Cela car il a en fait été montré que le théorème de Goldstone n'est plus valable pour les symétries locales[17].
- Les pions ont des applications en médecine comme par exemple en radiothérapie : le laboratoire national de Los Alamos a traité deux-cent-vingt-huit patients entre 1974 et 1981 par des mésons π-[18] et l'université de la Colombie-Britannique à Vancouver possède un cyclotron pour ce type de traitement[19].
[modifier] Voir aussi
[modifier] Articles connexes
[modifier] Liens externes
- (en) Caractéristiques des pions chargés π+ et π− (Particle Data Group)
- (en) Caractéristiques du pion neutre π0 (Particle Data Group)
[modifier] Bibliographie
- (en) Particle Data group : W.-M. Yao et al., Journal of Physics G 33, 1 (2006) [lire en ligne]
[modifier] Références
- ↑ a b c d e f Voyage vers l'infiniment petit
- ↑ a b c d e (en)Caractéristiques et désintégrations des différents mésons
- ↑ La théorie des cordes
- ↑ (en) Eugene Hecht (trad. T. Becherrawy, Joël Martin), Physique, De Boeck, 9 juillet 1998 (ISBN 978-2744500183), p. 1218
- ↑ La logique relativiste
- ↑ a b Le noyau atomique
- ↑ (en)Yukawa interaction
- ↑ Champs de Klein-Gordon et de Dirac
- ↑ Cecil Powell sur MSN Encarta
- ↑ (en)César Lattes - Historical Meme
- ↑ (en)Le Prix Nobel de Physique 1949 sur nobelprize.org
- ↑ (en)Le Prix Nobel de Physique 1950 sur nobelprize.org
- ↑ L'ère des hadrons 1947-1964
- ↑ Découverte intrigante de deux nouvelles particules par l'expérience BaBar au Slac
- ↑ Futura-sciences : Le paradoxe de la coupure GZK ne débouche pas sur une nouvelle physique...
- ↑ La théorie électrofaible
- ↑ Futura-sciences : Le boson de Higgs : une clé fondamentale de l'Univers ?
- ↑ (en)Long-term results of pion therapy at Los Alamos
- ↑ (en)TRIUMF: Cancer Therapy with Pions
