Pion (particule)

{{#ifeq:||Un article de Ziki, l'encyclopédie libre.|Une page de Ziki, l'encyclopédie libre.}}

Modèle:Voir homonymes {{#invoke:Infobox|build|nom=Particule}}Modèle:Infobox en Lua Un pion ou méson pi est une des trois particules : π0, π+ 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).

Nom et notation

Le substantif masculinModèle:Sfn pion (prononcé {{#ifeq:1|0|[pjɔ̃]|[[Alphabet phonétique international|Modèle:Nobr]]}} en français standard)Modèle:Sfn est composé de piModèle:Sfn, transcription de la lettre grecque πModèle:Sfn, et de -onModèle:Sfn, tiré de électronModèle:Sfn.

Le symbole du pion est la lettre [[Pi (lettre grecque)|Modèle:Formule (« pi »)]] de l'alphabet grec, en référence à l'initiale de « pseudo(-)scalaire »Modèle:Sfn.

Caractéristiques

Les pions ont un spin égal à 0<ref name = voyage>Modèle:Lien web</ref>. Comme leur nom l'indique, les pions Modèle:Formule, Modèle:Formule et Modèle:Formule ont une charge électrique respectivement égale à 1, −1 et 0.

Les pions sont des mésonsModèle:Sfn, c'est-à-dire des hadrons constitués d'une paire quark-antiquarkModèle:Sfn. Ils sont tous trois composés de quarks de la première génération (quark ou antiquark up et down). Ainsi, les pions Modèle:Formule et Modèle:Formule sont chargés car ils sont composés d'un quark et d'un antiquark de saveurs différentesModèle:Sfn Modèle:Incise alors que le pion Modèle:Formule est neutre car il est composé d'un quark et d'un antiquark de même saveurModèle:Sfn ou, plus précisément, de l'état superposé up/antiup et down/antidown (puisque ces deux combinaisons possèdent un nombre quantique identique)<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Les trois pions sont des mésons pseudo(-)scalairesModèle:Sfn,Modèle:Sfn.

Les pions sont les plus légers des mésonsModèle:Sfn. Les deux pions chargés Modèle:Formule et Modèle:Formule ont une masse de 139,570 1 ± 0,0003 MeV/c² ; et le pion neutre Modèle:Formule a une masse de 134,976 6 ± 0,0006 MeV/c2<ref name= pdf>Modèle:Lien web</ref>.

De fait, le pion neutre Modèle:Formule est sa propre antiparticuleModèle:Sfn,Modèle:Sfn,Modèle:Sfn,Modèle:Sfn,<ref>Modèle:Ouvrage</ref> ; et les deux pions chargés Modèle:Formule et Modèle:Formule composent une paire particule-antiparticuleModèle:Sfn,Modèle:Sfn : le pion négatif Modèle:Formule est l'antiparticule du pion positif Modèle:FormuleModèle:Sfn,<ref>Modèle:Lien web</ref>, et inversementModèle:Sfn.

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<ref name=noyau>Modèle:Lien web</ref>. 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<ref name=noyau/>. La théorie quantique des champs effective décrivant l'interaction entre pions et nucléons est appelé l'interaction de Yukawa<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Lien web</ref>.

Les pions ayant un spin égal à 0, leur dynamique est décrite par l'équation de Klein-Gordon<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Désintégration

Pions chargés

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

  • <math>\pi^{+} \rightarrow \mu^{+} + \nu_{\mu}</math>
  • <math>\pi^{-} \rightarrow \mu^{-} + \overline{\nu_{\mu}}</math>
Fichier:PiPlus-muon-decay.png
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)<ref name=pdf/> :

  • <math>\pi^{+} \rightarrow e^{+} + \nu_{e}</math>
  • <math>\pi^{-} \rightarrow e^{-} + \overline{\nu_{e}}</math>

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 s. 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<ref name=pdf/> :

  • <math>\pi^{0} \rightarrow 2\gamma</math>

Dans 1,198 ± 0,032 % des cas, les produits de la désintégration sont un photon gamma et une paire électron-positron<ref name=pdf/> :

  • <math>\pi^{0} \rightarrow \gamma + e^- + e^+</math>

Historique

Prédiction et découverte

Pions chargés

Les travaux théoriques de Hideki Yukawa en 1935 avaient prédit l'existence des mésons comme particules porteuses de l'interaction nucléaire forte<ref name=voyage/>. 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<ref name=voyage/>. Après sa découverte en 1936, on a pensé que le muon était cette particule puisqu'il avait une masse de 106 MeV<ref name=voyage/>. Cependant, les expériences qui suivirent montrèrent que le muon ne participait pas à l'interaction forte<ref name=voyage/>.

En 1947, Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini de l'université de Bristol découvrent les premiers mésons : les pions π+ et π−<ref name=voyage/>. 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<ref>Modèle:Lien web</ref>.

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<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Lien web</ref>.

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<ref name=laureat_nobel_1949>Modèle:Lien web</ref>, 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<ref name=laureat_nobel_1950>Modèle:Lien web</ref>.

Pion neutre

Le π0 a été découvert en 1950 au cyclotron de Berkeley<ref>Modèle:Lien web</ref> grâce aux produits de sa désintégration<ref>Modèle:Lien web</ref>. 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

  • 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<ref>Modèle:Lien web</ref> selon une des deux équations :

<math>\gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow p + \pi^0</math>

<math>\gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow n + \pi^+</math>, où <math>\gamma</math> est un photon du rayonnement fossile et le premier <math>p</math> est un proton qui constitue le rayon cosmique.

Notes et références

Modèle:Références

Voir aussi

Modèle:Autres projets

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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