パイオニウム

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パイオニウム: Pionium)は、正負の電荷を持つパイ中間子2個がクーロン力によって束縛されたエキゾチック原子である。実験的には、加速器で加速した陽子を標的となる原子核に衝突させて作られる。

平均寿命は3×10-15秒程度で、大部分は強い相互作用によって2個の中性パイ中間子π0に崩壊し、0.4%程度の低確率で2個の光子に崩壊する。

現在、欧州原子核研究機構 (CERN) におけるDIRAC実験では、パイオニウムの平均寿命を調べる研究が行われている。この実験では、2008年に11%[1]2011年に9%程度[2]標準誤差でパイオニウムの平均寿命が報告されている。

2005年にCERNで行われた NA48/2実験では、荷電K中間子の崩壊過程においてパイオニウムが生成する証拠が得られ、終状態として3個のパイ中間子が得られる反応(K±→π±π0π0)について調べられた[3]

実験の目的[編集]

パイオニウムの平均寿命を実験で測定することは、パイオニウム崩壊のような低エネルギー領域の物理現象を記述する理論(カイラル摂動論)の精度を検証するためにも重要な課題である。

一般に粒子の平均寿命の逆数は崩壊幅として表されるが、パイオニウムのπ0π0崩壊に対する崩壊幅はS波のππ散乱長と関係している。パイオニウムA基底状態について、平均寿命τと崩壊幅Γは

\tau^{-1}_{A_{2\pi}} = \Gamma_{A_{2\pi} \to \gamma \gamma} + \Gamma_{A_{2\pi} \to \pi^0 \pi^0}
\Gamma_{A_{2\pi} \to \pi^0 \pi^0} = \frac{2\alpha^3 p^{*}}{9} |a_0 -a_2|^2 m_{\pi^+}^2 (1+\delta)

と表される。ここで、αは微細構造定数、p*はパイオニウム静止系におけるπ0の運動量、a0とa2アイソスピン0と2におけるS波のππ散乱長、mπ+はπ+の質量、δはQEDQCDによる補正項であり、δ=(5.8±1.2)×10-2の値[4]が知られている。

上式中の散乱長は、カイラル摂動論を用いて誤差1.5%という高い精度で予言でき、

|a_0-a_2|_\mathrm{theory}=(0.265 \pm 0.004) \times {m_\pi}^{-1}

と求まる。この値を用いると、パイオニウムの平均寿命の理論値はτ=(2.90±0.10)×10-15秒となる[5]

このように、もしパイオニウムの平均寿命が実験で精密に測定できれば、量子色力学の低エネルギー有効理論としてのカイラル摂動論の検証に役に立つ。

一例として、2011年にDIRAC実験から報告された結果では、21227個のサンプルによって得られた平均寿命と、そこから換算されたS波のππ散乱長の差は

\tau_\mathrm{exp.}=(\left. 3.15^{+0.20}_{-0.19}\right|_\mathrm{stat} \left. ^{+0.20}_{-0.18}\right|_\mathrm{syst} ) \times 10^{-15} \mathrm{s}
|a_0-a_2|_\mathrm{exp.}=(\left. 0.2533^{+0.0080}_{-0.0078}\right|_\mathrm{stat} \left. ^{+0.0078}_{-0.0073}\right|_\mathrm{syst} ) \times {m_\pi}^{-1}

となる[2]。この実験結果は、パイオニウム基底状態の平均寿命に対して9%、ππ散乱長に対しては4%の誤差を持つ精度である。

脚注[編集]

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  1. ^ Zhabitsky, M.; et al. (DIRAC Collaboration) (2008年). “Measurement of the pionium lifetime”. arXiv:0809.4963. 
  2. ^ a b Adeva, B.; et al. (2011). “Determination of ππ scattering lengths from measurement of π+π atom lifetime”. Physics Letters B 704 (1–2): 24-29. arXiv:1109.0569. doi:10.1016/j.physletb.2011.08.074. 
  3. ^ Batley, J. R.; et al. (NA48/2 Collaboration) (2005). “Observation of a cusp-like structure in the π0π0 invariant mass distribution from K± → π±π0π0 decay and determination of the ππ scattering lengths”. Physics Letters B 633 (2–3): 173–182. arXiv:hep-ex/0511056. Bibcode 2006PhLB..633..173N. doi:10.1016/j.physletb.2005.11.087. 
  4. ^ Gasser, J.; Lyubovitskij, V.E.; Rusetsky, A.; Gall, A. (2005). “Decays of the π+ π- atom”. Physical Review D 64 (1): 016008. arXiv:hep-ph/0103157. Bibcode 2001PhRvD..64a6008G. doi:10.1103/PhysRevD.64.016008. 
  5. ^ Colangelo, G.; Gasser, J.; Leutwyler, H. (2001). “ππ scattering”. Nuclear Physics B 603 (1–2): 125-179. arXiv:hep-ph/0103088. doi:10.1016/S0550-3213(01)00147-X. 

参考文献[編集]

レビュー論文

関連項目[編集]

外部リンク[編集]