Pion (particule)
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| Classification | |
|---|---|
| Composition | Pairequark-antiquark: |
| Symbole | π
|
| Antiparticule |
| Masse | |
|---|---|
| Charge électrique | • π0:0 e |
| Charge de couleur |
0 |
| Spin |
0 |
| Parité |
-1 |
| Durée de vie | • π0:8,4(6)×10-17s |
| Découverte |
1947 |
|---|---|
| Découvreur |
Unpionouméson piest une des trois particules: π0,π+ou π−.Ce sont les particules les plus légères de la famille desmésons. Elles jouent un rôle important dans l'explication des propriétés à basse énergie de laforce nucléaire forte;notamment, la cohésion dunoyau atomiqueest assurée par l'échange de pions entre lesnucléons(protonsetneutrons).
Nom et notation
[modifier|modifier le code]Lesubstantifmasculin[1]pion(prononcé[pjɔ̃]enfrançais standard)[1]est composé depi[1],transcriptionde la lettre grecque π[2],et de-on[1],tiré deélectron[3].
Le symbole du pion est la lettreπ(« pi »)de l'Alpha bet grec,en référence à l'initialede «pseudo(-)scalaire»[4].
Caractéristiques
[modifier|modifier le code]Les pions ont unspinégal à 0[5].Comme leur nom l'indique, les pionsπ+,π−etπ0ont une charge électrique respectivement égale à 1, −1 et 0.
Les pions sont desmésons[6],c'est-à-dire deshadronsconstitués d'une paire quark-antiquark[7].Ils sont tous trois composés de quarks de la premièregénération(quark ou antiquark up et down). Ainsi, les pionsπ+etπ–sont chargés car ils sont composés d'unquarket d'unantiquarkdesaveursdifférentes[6]— à savoir: d'unquarkhautet d'unantiquarkbaspour le pion positifπ+;et d'unantiquarkhautet d'unquarkbaspour le pion négatifπ–[6]— alors que le pionπ0est neutre car il est composé d'un quark et d'un antiquark de mêmesaveur[6]ou, plus précisément, de l'état superposé up/antiup et down/antidown (puisque ces deux combinaisons pos sắc dent unnombre quantiqueidentique)[8].
Les trois pions sont desmésons pseudo(-)scalaires[6],[9].
Les pions sont les plus légers des mésons[6].Les deux pions chargésπ+etπ−ont une masse de 139,570 1 ± 0,0003 MeV/c²; et le pion neutreπ0a une masse de 134,976 6 ± 0,0006 MeV/c2[10].
De fait, le pion neutreπ0est sa propreantiparticule[11],[12],[13],[14],[15];et les deux pions chargésπ+etπ–composent une paire particule-antiparticule[16],[13]:le pion négatifπ−est l'antiparticule du pion positifπ+[14],[17],et inversement[12].
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 decharge de couleur,ils n'interagissent pas par échange degluonsmais par échange de pions[18].Cette interaction peut changer la nature des nucléons selon qu'elle implique un pion neutre ou chargé: un neutron ou proton émettant un π0garde sa nature, mais un neutron émettant un π−ou un proton émettant un π+donnent respectivement un proton et un neutron[18].Lathéorie quantique des champs effectivedécrivant l'interaction entre pions et nucléons est appelé l'interaction de Yukawa[19].
Les pions ayant un spin égal à 0, leur dynamique est décrite par l'équation de Klein-Gordon[20].
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)muonet un neutrino muonique via l'interaction faible[10]:
Dans 0,0123 % des cas, la désintégration (toujours via l'interaction faible) donne unélectron(positron) et un neutrino électronique (antineutrino électronique)[10]:
Pion neutre
[modifier|modifier le code]Le π0a une masse légèrement plus inférieure à celle des pions chargés (134,976 8 ± 0,000 5 MeV/c²) et une durée de vie beaucoup plus courte de 8,4 ± 0,6 × 10−17s. Au terme de cette durée, le π0se désintègre par interaction électromagnétique. La désintégration la plus courante (98,823 % des cas) donne deuxphotonsgamma[10]:
Dans 1,174 ± 0,035 % des cas, les produits de la désintégration sont un photon gamma et une paire électron-positron[10]:
Historique
[modifier|modifier le code]Prédiction et découverte
[modifier|modifier le code]Pions chargés
[modifier|modifier le code]Les travaux théoriques deHideki Yukawaen 1935 avaient prédit l'existence des mésons comme particules porteuses de l'interaction nucléaire forte[5].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[5].Après sa découverte en 1936, on a pensé que le muon était cette particule puisqu'il avait une masse de 106 MeV[5].Cependant, les expériences qui suivirent montrèrent que le muon ne participait pas à l'interaction forte[5].
En 1947,Cecil Powell,César LattesetGiuseppe Occhialinide l'université de Bristoldécouvrent les premiers mésons: les pions π+et π−[5].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[21].
Un an plus tard, Cesar Lattes et Eugene Gardner découvrent àBerkeleyla production de pions artificiels en bombardant des atomes de carbone avec desparticules Alpha[22].
Hideki Yukawa est récompensé en 1949 duprix Nobel de physiquepour sa prédiction de l'existence des mésons d'après un travail théorique sur les interactions nucléaires[23],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[24].
Pion neutre
[modifier|modifier le code]Le π0a été découvert en 1950 au cyclotron de Berkeley[25]grâce aux produits de sa désintégration[26].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 gamma 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 lalimite 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 1020eV, le rayon cosmique interagit avec les photons durayonnement fossile,produisant entre autres des pions[27]selon une des deux équations:
,oùest un photon du rayonnement fossile et le premierest un proton qui constitue le rayon cosmique.
- Dans le cadre de lachromodynamique quantique(théorie quantique des champs décrivant l'interaction nucléaire forte), le pion est un quasi-boson de Goldstoneassocié à labrisure spontanée de symétriechirale[28].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, leboson de Goldstoneest en quelque sorte absorbé par leboson de jauge,et acquiert ainsi une masse[29].
- Les pions ont des applications en médecine par exemple en radiothérapie: lelaboratoire national de Los Alamosa traité deux-cent-vingt-huit patients entre 1974 et 1981 par des mésons π−[30]et l'université de la Colombie-Britanniqueà Vancouver pos sắc de un cyclotron pour ce type de traitement[31].
Notes et références
[modifier|modifier le code]- TLFI,s.v.pion3.
- TLFI,s.v.pi.
- TLFI,s.v.-on.
- Élémentaire2006,p.12.
- «Voyage vers l'infiniment petit», Diffusion
- Taillet, Villain et Febvre 2018,s.v.pion,p.569,col.2.
- Taillet, Villain et Febvre 2018,s.v.méson,p.467,col.1.
- «La théorie des cordes»
- Taillet, Villain et Febvre 2018,s.v.pseudo-scalaire,p.604,col.2.
- (en)«Caractéristiques et désintégrations des différents mésons», LBL
- Diu et Leclercq 2005,s.v.antiparticule-particule,p.30-31.
- Diu et Leclercq 2005,s.v.interaction faible,p.340.
- Ne'eman et Kirsh 1999,§3.6,p.92.
- Penrose 2007,chap.25,§25.3,p.618.
- (en)Eugene Hecht (trad.T. Becherrawy, Joël Martin),Physique,De Boeck,,1332p.(ISBN978-2-7445-0018-3,lire en ligne),p.1218
- Diu et Leclercq 2005,s.v.antiparticule-particule,p.31.
- «La logique relativiste»
- «Le noyau atomique»
- (en)«Yukawa interaction»
- «Champs de Klein-Gordon et de Dirac»
- «Cecil Powell sur MSN Encarta»
- (en)«César Lattes - Historical Meme»
- (en)«The Nobel Prize in Physics 1949»,Fondation Nobel,:«for his prediction of the existence of mesons on the basis of theoretical work on nuclear forces»
- (en)«The Nobel Prize in Physics 1950»,Fondation Nobel,(consulté le):«for his development of the photographic method of studying nuclear processes and his discoveries regarding mesons made with this method»
- «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»
Voir aussi
[modifier|modifier le code]Bibliographie
[modifier|modifier le code]- (en)W.-M. Yao et al.,Journal of PhysicsG 33, 1 (2006)[lire en ligne]sur le site duParticle Data group
- [Cronin 2004](en)James W.Cronin(éd. et préf.),Fermi remembered,Chicago et Londres,University of Chicago Press,horscoll.,(réimpr.),1reéd.,1vol.,XI-287, 15,2 × 22,9cm(ISBN978-0-226-12111-6,EAN9780226121116,OCLC494158253,BNF40031913,SUDOC119319853,présentation en ligne,lire en ligne).
- [Élémentaire2006]«Un feu d'artifice de particules»,Élémentaire: de l'infiniment petit à l'infiniment grand,Orsay, revue d'information scientifique duLAL(IN2P3duCNRS) et dusynchrotron SOLEIL(CEAet CNRS),no3: « Les rayons cosmiques »,,p.7-13(lire en ligne).
- [Ne'eman et Kirsh 1999]YuvalNe'emanet YoramKirsh(trad.de l'anglais par Geneviève Bugnod),Les chasseurs de particules[«The particle hunters»], Paris,O. Jacob,coll.« Sciences »,,1reéd.,1vol.,XI-345, 18,5 × 23,5cm(ISBN2-7381-0684-6,EAN9782738106841,OCLC41582776,BNF37039928,SUDOC370399280,présentation en ligne,lire en ligne).
- [Diu et Leclercq 2005]BernardDiuet BénédicteLeclercq,La physique mot à mot,Paris,O. Jacob,coll.« Sciences »,,1reéd.,1vol.,721, 15,5 × 24cm(ISBN2-7381-1578-0,EAN9782738115782,OCLC300488981,BNF39927635,SUDOC08469470X,présentation en ligne,lire en ligne).
- [Penrose 2007]RogerPenrose(trad.de l'anglais par Céline Laroche),À la découverte des lois de l'Univers: la prodigieuse histoire des mathématiques et de la physique[«The road to reality: a complete guide to the laws of the Universe»], Paris,O. Jacob,coll.« Sciences »,,1reéd.,1vol.,XXII-1061, 15,5 × 24cm(ISBN978-2-7381-1840-0,EAN9782738118400,OCLC209307388,BNF41131526,SUDOC118177311,présentation en ligne,lire en ligne).
- [Taillet, Villain et Febvre 2018]RichardTaillet,LoïcVillainet PascalFebvre,Dictionnaire de physique,Louvain-la-Neuve,De Boeck Supérieur,horscoll.,,4eéd.(1reéd.), 1vol.,X-956, 17 × 24cm(ISBN978-2-8073-0744-5,EAN9782807307445,OCLC1022951339,BNF45646901,SUDOC224228161,présentation en ligne,lire en ligne),s.v.pion,p.569,col.2.
- [Trouillon 2011]Jean-LouisTrouillon,Approches de l'anglais de spécialité,Perpignan,Presses universitaires de Perpignan,coll.« Études »,,1reéd.,1vol.,292, 16 × 24cm(ISBN978-2-35412-073-3,EAN9782354120733,OCLC758901628,BNF42349320,DOI10.4000/books.pupvd.1411,SUDOC149350716,présentation en ligne,lire en ligne),chap.3(« Un anglais international, l'anglais scientifique »),p.97-134.
Articles connexes
[modifier|modifier le code]Liens externes
[modifier|modifier le code]- [PDG 2019a](en)Caractéristiques des mésons légers sans saveur[PDF],surParticle Data Group,.
- [PDG 2019b](en)Caractéristiques du pion neutreπ0[PDF],surParticle Data Group,.
- [PDG 2019c](en)Caractéristiques des pions chargésπ+etπ−[PDF],surParticle Data Group,.
- [TLFI]Trésor de la langue française informatisé,s.v.pion
