Pion (particule)

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Pion
Image illustrative de l'article Pion (particule)
Schéma de la composition d'un pion π+ en termes de quarks (un quark up et un antidown)
Propriétés générales
Classification Mésons
Composition Paire quark-antiquark :

• π+ : u\overline{d}
• π0 : u\overline{u} / d\overline{d}
• π : \overline{u}d

Propriétés physiques
Masse • π+ : 139,57018(35) MeV.c-2

• π0 : 134.9766(6) MeV.c-2
• π : 139,57018(35) MeV.c-2

Charge électrique • π+ : 1 e

• π0 : 0 e
• π : -1 e

Charge de couleur 0
Spin 0
Durée de vie • π+ : 2.60330(5)×10-8 s

• π0 : 8,4(6)×10-17 s
• π : 2.60330(5)×10-8 s

Historique
Découverte 1947
Découvreur Cecil Powell
César Lattes
Giuseppe Occhialini

Un pion ou méson pi est une des trois particules : π+, π0 ou π. Ce sont les particules les plus légères de la famille des mésons. Elles jouent un rôle important dans l'explication des propriétés à basse énergie de la force nucléaire forte ; notamment, la cohésion du noyau atomique est assurée par l'échange de pions entre les nucléons (protons et neutrons).

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

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 tous 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].

Description théorique[modifier | modifier le code]

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 garde sa nature, mais un neutron émettant un π- ou un proton émettant un π+ donnent 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 (en)[7].

Les pions ayant un spin égal à 0, leur dynamique est décrite par l'équation de Klein-Gordon[8].

Désintégration[modifier | modifier le code]

Pions chargés[modifier | modifier le code]

Les pions chargés ont une durée de vie de 2,6033 ± 0,0050 x 10-8s. Ils se désintègrent dans 99,98770 ± 0,00004 % des cas en un (anti)muon et un neutrino muonique via l'interaction faible[2] :

  • \pi^{+} \rightarrow \mu^{+} + \nu_{\mu}
  • \pi^{-} \rightarrow \mu^{-} + \overline{\nu_{\mu}}
Désintégration d'un π+ en muon et neutrino muonique par l'intermédiaire d'un Boson W+

Dans 0,0123 % des cas, la désintégration (toujours via l'interaction faible) donne un électron (positron) et un neutrino électronique (antineutrino électronique)[2] :

  • \pi^{+} \rightarrow e^{+} + \nu_{e}
  • \pi^{-} \rightarrow e^{-} + \overline{\nu_{e}}

Pion neutre[modifier | modifier le code]

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] :

  • \pi^{0} \rightarrow 2\gamma

Dans 1,198 ± 0,032 % des cas, les produits de la désintégration sont un photon gamma et une paire électron-positron[2] :

  • \pi^{0} \rightarrow \gamma + e^- + e^+

Historique[modifier | modifier le code]

Prédiction et découverte[modifier | modifier le code]

Pions chargés[modifier | modifier le code]

Les travaux théoriques de Hideki Yukawa en 1935 avaient 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 100 MeV[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 découvrent les premiers mésons : les pions π+ et π-[1]. Pour ce faire, Cecil Powell a envoyé des ballons à très haute altitude 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 découvrent à Berkeley la production de pions artificiels en bombardant des atomes de carbone avec des particules alpha[10].

Hideki Yukawa est récompensé en 1949 du 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].

Pion neutre[modifier | modifier le code]

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 pu être observé directement ; ce sont les photons gammas et paires électron-positron qu'il donne qui ont permis de déduire son existence.

Avancées et conséquences relatives aux mésons pi[modifier | modifier le code]

  • 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 :

\gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow p + \pi^0

\gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow n + \pi^+, où \gamma est un photon du rayonnement fossile et le premier p est un proton qui constitue 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 devraient donc avoir une masse nulle. Cependant, il a été observé expérimentalement que les pions avaient une masse. En fait, dans le cadre d'une symétrie locale, le boson de Goldstone est en quelque sorte absorbé par le boson de jauge, et acquiert ainsi une masse[17].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) W.-M. Yao et al., Journal of Physics G 33, 1 (2006) [lire en ligne] sur le site du Particle Data group

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]