Pion (particule) - Définition

Introduction

Un pion ou méson pi est une des trois particules : π⁺, π⁰ ou π⁻. Ils font partie 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).

Caractéristiques

Composition d'un pion π⁺ en termes de quarks

Les pions ont un spin égal à 0. 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. 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) ; de fait, le π⁰ est sa propre antiparticule et le π^- est l'antiparticule du π⁺.

Désintégration

Pions chargés

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 :

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 :

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 :

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

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. 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. La théorie quantique des champs effective décrivant l'interaction entre pions et nucléons est appelé l'interaction de Yukawa.

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