Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПИ-МЕЗОНЫ

ПИ-МЕЗОНЫ

ПИ-МЕЗОНЫ (p-мезоны, <пионы) - группа сильно взаимодействующих элементарных частиц (адронов),в к-рую входят две противоположно заряженные () и одна нейтральная частицы. Пионы обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона, <в связи с чем и были названы мезонами (от греч. mesos - средний, промежуточный).Пионы являются связанными состояниями пар кварков и антикварков:образован парой -кварков,- парой в в равныхпропорциях входят и -пары кварков.

Основные характеристики и квантовыечисла пионов.

Массы, времена жизни и осн. способы распадапионов приведены в таблице.

Частицы	Масса МэВ	Время жизни,с	Способы распада	Вероятность распада,%
	139,5685(10)	2,6030(23)х10-8		99,98 1,23х10-2 ~10-2 ~ 10-5 1,0х10-6
	134,9642(38)	0,87(4)х10-16		98,80 1,20 3,24х10-2

Т. <к. время жизни пионов велико по сравнениюс ядерным временем (~10^-23 с), в табл. элементарных частиц ихусловно относят к "стабильным" частицам. Электрич. заряд -мезона .=- 1 (т. е. совпадает с зарядом электрона), для -мезона Q=+1, для -мезона .=0. Спин пионов J = 0, т. е. они относятся к классу бозонов. Их внутренняячётность отрицательна, Р = - 1. Частицы с такими характеристикамиспина и чётности (J = 0, Р = -1) наз. псевдоскалярными: барионноечисло, лептонное число, странность, очарование, красота пионов равнынулю. Из кваркового состава пионов видно также, что и являются частицейи античастицей по отношению друг к другу, а тождественсвоей античастице (т. е. является истинно нейтральной частицей); -мезонимеет положит, зарядовую чётность: С= +1, Изотопический спин пионов I= 1, т. е. они образуют изотопич. триплет: трём возможным "проекциям" изотопич. <спина I₃= +1, 0, - 1 соответствуют состояния G-чётность пионовотрицательна, G = - 1.

Пионы - наиб. лёгкие в обширном классеадронов, что обусловливает их особую роль среди элементарных частиц. Облаковиртуальных -мезонов, <окружающих адроны, определяет размеры адронов, составляющие в соответствиис неопределённостей соотношением величину ~ 10^-13 см.

Распады пионов. Пионы участвуютво всех известных типах взаимодействий: сильном, электромагнитном, слабоми гравитационном. Поскольку -мезоныимеют наименьшую массу среди адронов, их распад на более лёгкие частицыне может происходить за счёт сильного взаимодействия и связан с появлениемдр. взаимодействий. Способы распада пионов определяются их квантовыми числами. <Распад происходитза счёт эл.-магн. взаимодействия и из-за сохранения зарядовой чётностив этом взаимодействии возможен лишь на чётное число фотонов (фотон имеетотрицат. зарядовую чётность). Сохранение электрич. заряда требует, чтобыпри распаде заряженного -мезонаего заряд компенсировался присутствием среди продуктов распада заряж. лептона( или ).В свою очередь сохранение лептон-ного числа требует появления или впаре с соответствующим типом нейтрино (антинейтрино), так чтобыих суммарное лептонное число равнялось нулю (табл.). Обязат. присутствиесреди продуктов распада -мезонов слабо взаимодействующей частицы - нейтрино (антинейтрино) означает, <что распад обусловлен слабым взаимодействием. Это приводит к относительно большому(по сравнению с )времени жизни заряж. пионов.

Процессы образования пионов. Пионыявляются осн. продуктом сильного взаимодействия адронов при высоких энергиях. <По этой причине пионы в значит. степени определяют состав космическихлучей в пределах земной атмосферы. Будучи осн. продуктами ядерных взаимодействийчастиц первичного космич. излучения (протонов и более тяжёлых ядер) с ядрамиатомов воздуха, пионы входят в состав электронно-ядерных и широких атм. <ливней. Распадаясь, -мезонысоздают проникающую компоненту космич. излучения - мюоны и нейтрино высокихэнергий, а -мезоны- электронно-фотонную компоненту.

Искусств. путём пионы получают на ускорителях. <Благодаря сравнительно большому времени жизни из релятивистских заряж. <пионов можно сформировать пучки и отвести их на значит. расстояние от точкиобразования пионов. При взаимодействии ускоренных протонов с ядрами насовр. ускорителях заряж. частиц можно получить пучки пионов с энергиейдо неск. сотен ГэВ. Продукты распада нейтральных пионов используются дляполучения пучков высокоэнергичпых -квантов, электронов и позитронов. Потоки пионов, получаемые на мезонныхфабриках - высокоинтенсивных ускорителях средних энергий (1ГэВ),могут превышать в пучке 10¹⁰ пионов/с.

История открытия. Существованиепионов было постулировано X. Юкавой (Н. Yukawa) в 1935 для объяснения короткодействующегохарактера и большой величины ядерных сил. Из соотношения неопределённостейдля энергии и времени следовало, что если действующие между нуклонами вядре силы обусловлены обменом квантами поля ядерных сил, то масса этихквантов (позднее названных -мезонами)должна составлять примерно 300 электронных масс. Поиски заряж.мезонов увенчались успехом лишь в 1947, когда Дж. Латтесом(С. Lattes),X. Мьюирхедом (Н. Muirhead), Дж. Оккиалини (G. Occhialini) и С. Ф. Пауэллом(S. F. Powell) были найдены в ядерных фотоэмульсиях, облучённых космич. <лучами на большой высоте над поверхностью Земли, треки частиц, свидетельствующиео распаде (рис. 1).

Существование нейтральных пионов следовалоиз обнаруженной на опыте зарядовой независимости ядерных сил (взаимодействиемежду одинаковыми нуклонами - двумя протонами или двумя нейтронами - можетосуществляться только путём обмена нейтральными ионами). Экспериментально -мезоныбыли обнаружены в 1950 по -квантамот их распада рождались в столкновениях фотонов и протонов с энергией ~300 МэВ с ядрами. <Заряж. пионы в лаб. условиях были впервые получены в 1948 на ускорителев Беркли (США). Обладая массой, пионы требуют для своего рождения затратыэнергии, не меньшей их энергии покоя m_pc². Так, <для рождения пиона при столкновении двух нуклонов, N + NN + N +необходимо, чтобы кинетич. энергия нуклона (в лаб. системе), налетающегона покоящийся нуклон, была выше пороговой энергии = 292 МэВ; для фоторождения пиона на нуклоне,N,150МэВ.

Взаимодействие пионов. Количеств. <изучение свойств пионов и их взаимодействий выполнены преим. на пучкахчастиц высоких энергийна ускорителях.

Рис. 1. Фотография одного из первых зарегистрированныхв ядерных фотоэмульсиях случаев распада

Нейтральные пионы в силу малого временижизни, как правило, распадаются до взаимодействия в веществе. Заряж. пионыс энергией ~ 10 МэВ и ниже при движении в веществе тратят свою энергиюв основном на ионизацию атомов (за счёт эл.-магн. взаимодействия с ними)и обычно не успевают до своей остановки провзаимодействовать с атомнымиядрами. При этом остановившийся -мезонраспадается на положительно заряженный мюон и мюонное нейтрино. -мезонпосле остановки притягивается положит. зарядом ближайшего ядра, образуя -мезоатом(см. Адрoнные атомы) с размерами в меньшими, чем размеры обычного атома, а затем поглощается и расщепляетядро с образованием т. н. звезды (рис. 2, а). -мезоныс энергиями 100 МэВ сильно взаимодействуют с атомными ядрами, вызывая, как правило, <их расщепление (рис. 2, б).

Рис. 2. Расщепление ядра одного из атомовфотоэмульсии: а - остановившимся мезоном; б - заряженным пионом с энергией 3,8 ГэВ.

В области энергий выше порога мезонообразованияи до ~10⁹ эВ при взаимодействии пионов с протонами или нуклонамиядер наблюдается интенсивное образование квазисвязанных мезонных и барионныхсистем, т. н. резонансов, с временем жизни 10^-22 - 10^-24 с. Эти состояния могут проявляться, напр., в виде максимумов в энергетич. <зависимости полных или дифференц. сечений реакций рассеяния ионов (рис.3). Неупругие взаимодействия пионов с энергией 10¹⁰ эВ обусловлены преим. процессами множеств. рождения частиц(см. Множественные процессы). Процессы рассеяния адронов (в т. ч. <пионов) высоких энергий с большой передачей импульса ( глубоко неупругиепроцессы )описываются на основе квантовой хромодинамики.

Рис. 3. Зависимость полных сечений взаимодействий -и -мезоновс протонами от полной энергии сталкивающихся частиц в системе центра инерции.

Исследование процессов глубоко неупругогорассеяния пионов позволяет определить т. н. структурную функцию, характеризующуюраспределение по импульсам кварков и антикварков (партонов), входящих всостав рассеивающегося пиона (рис. 4).

Рис. 4. Структурная функция заряженныхпионов, характеризующая распределение входящих в пион кварков (партонов)в зависимости от уносимой ими доли х полного импульса пиона.

Теоретич. описание процессов сильного (и эл.-магн.) взаимодействия пионов промежуточных и низких энергий носитфеноменологич. характер. Основой теоре-тич. описания процессов взаимодействияи распада адронов низких энергий с участием пионов является т. н. киральнаясимметрия, справедливая в приближении равенства нулю массы псевдоскалярныхмезонов (пионов).

Взаимодействие пионов с -квантамиопределяется их эл.-магн. свойствами - электрич. зарядом, эл.-магн. радиусом, <формфактором, поляризуемостью. Эл.-магн. характеристики пионов были определеныв спец. опытах, в к-рых изучались редкие процессы рассеяния пионов высокихэнергий на атомных электронах и на кулоновском поле атомных ядер. Найденноезначение эл.-магн. радиуса заряженных пионов составляет 0,66 (0,01)х10^-13 см, поляризуемости = 6,9х(1,4)х 10^-43 см ³. Взаимодействие фотонов с адронамипри энергиях выше ~150 МэВ определяется в основном процессами фоторожденияпионов.

Использование пионов. Реакции взаимодействияи распада пионов служат ценным источником информации не только о свойствахпионов, но и об общих закономерностях взаимодействий элементарных частиц. <В качестве примеров можно привести следующие. Измерения отношения вероятностейраспадов и былииспользованы для проверки предположения М. Гелл-Мана (М. Gell-Mann) и Р. <Фейнмана (R. Feynman), а также Р. Маршака (R. Marshak) и Э. Сударшана (Е.Sudershan) о векторно-аксиальном (V - А )варианте гамильтонианаслабого взаимодействия. Открытие бета-распада пиона (Ю. Д. Прокошкин и др.) явилось эксперим. подтверждением сформулированнойС. С. Герштейном и Я. Б. Зельдовичем гипотезы о сохранении векторного токав слабом взаимодействии (см. Векторного тока сохранение). Теоретич. <объяснение эксперим. значения вероятности распада в кварковой теории оказалось возможным лишь при использовании предположенияо том, что кварки обладают квантовым числом цвет. Исследование спектраэфф. масс и распределений по углам вылета системы из трёх -мезонов, <образованных в результате дифракционного рассеяния -мезона на ядрах (т. е. рассеяния без изменения состояния ядра-мишени),привело к обнаружению новых мезонов - резонансных состояний с массами 1240(30)МэВ и 1770(30) МэВ и квантовыми числами, совпадающими с квантовыми числамипионов. Эти состояния, названные и -мезонами, <интерпретируются как радиальные возбуждения системы из двух кварков, входящихв пион (А. А. Тяпкин и др.).

Интенсивные пучки -мезоновсредних энергий, получаемые на мезонных фабриках, начинают применять вприкладных целях, в частности в лучевой терапии злокачеств. опухолей. Наиб. <эффект даёт использование -мезонов, т. к. дополнит. энерговыделение, связанное с расщеплением ядерпри поглощении ими остановившихся может быть хорошо локализовано в поражённом органе. Медленные заряж. пионы, <и особенно образующиеся при их распаде мюоны, используются для изученияструктуры вещества (см. Мезонная химия).

Лит.: Росси Б., Частицы большихэнергий, пер. с англ., М., 1955; Газиорович С., Физика элементарных частиц,-пер. <с англ., М., 1969; Перкинс Д., Введение в физику высоких энергий, пер. <с англ., М., 1975; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.

А. И. Лебедев, Г. В. Мицельмахер.

pin- ДИОД- полупроводниковый диод, в к-ром центральная (базовая) область легировананастолько слабо, что уже при небольшом обратном смещении она полностьюперекрывается областью пространственного заряда (ОПЗ) р - п-перехода.

Обычно этот прибор является pvn- либо -диодом, <где v,означаютслаболегиров. материал n- либо р- типа проводимости. Материалс собств. проводимостью (i -материал; от англ, intrinsic - собственный)может быть получен только путём точной взаимной компенсации легирующихпримесей; технологически такая компенсация весьма сложна и применяетсяредко.

Используются pin -диоды обычно вкачестве переключателей, аттенюаторов, ограничителей и модуляторов СВЧ-колебаний, <а также в качестве быстродействующих фотоприёмников и мощных выпрямит. <диодов.

Общим свойством pin -диода, к-роеиспользуется при всех видах управления СВЧ-сигналом, является сильное изменениеего проводимости под воздействием внеш. управляющего источника напряжения(тока). Такой диод включается в СВЧ-тракт, и путём изменения его проводимостипроизводится изменение прохождения, отражения либо поглощения СВЧ-мощности. <Увеличение проводимости осуществляется инжекцией неосновных носителей р- i- и п - i -переходами при смещении их в прямом направлении, <а уменьшение - выведением носителей во внеш. цепь при обратном смещениии рекомбинацией.

При резком приложении прямого смещения р-v-переход (рис. 1, 2) инжектирует дырки в базу, их поле притягиваетэлектроны, в результате чего у перехода образуется тонкий слой Р₁ эл.-нейтральнойэлектронно-дырочной плазмы. Протекающий электронный ток создаётв базовой области поле, вытягивающее из слоя P₁ дырки. <Эти дырки с компенсирующими их электронами движутся к n -слою в условияхбиполярного дрейфа при промежуточном уровне инжекции, т. е. формируетсяплазменная концентрац. волна Р _f, быстро достигающая n -слоя;после этого у его границы начинается формирование эл.-нейтрального плазменногослоя Р₂. Одновременно с быстрым биполярным дрейфом идётсравнительно медленное встречное диффузионное движение плазменных слоев Р ₁ и Р ₂, после смыкания к-рых в базе через определ. время формируетсястационарное распределение плазмы.

Рис. 2. Распределение концентрации плазмы( а) и напряжённости поля ( б) при переключении диода на дрейфовойстадии накопления.

Характерные времена процессов биполярногодрейфа лежат в наносекундном, а времена диффузионных процессов - в микросекундномдиапазонах (tW²/2D, где D- коэф. амбиполярной диффузии, W - ширина базы); однако биполярныйдрейф идёт при концентрации носителей, не сильно превышающей уровень легирования, <а для диффузионных процессов превышение обычно составляет 2 - 3 порядкаи более.

Характер процесса восстановления диодапри переключении на обратное смещение существенно зависит от того, на какойстадии был прерван процесс накопления плазмы при прямом смещении. Еслидлительность накопления была достаточна для "схлопывания" диффузионныхслоев, то восстановление протекает довольно медленно. Дырки из плазмы у р- v -перехода выводятся в р -слой, а электроны движутся к n -слоюв слабом поле, создаваемом протекающим через плазму практически постояннымобратным током; одновременно идёт рекомбинация носителей в плазме. Послеспада концентрации дырок у р - v -перехода до равновесного значенияначинает формироваться ОПЗ, граница к-рой смещается к n -слою соскоростью движения электронов в слабом поле; ток в цепи падает, а напряжениена диоде нарастает. Затем ОПЗ занимает весь базовый слой, избыточные носителиполностью удаляются из базы, и процесс переключения заканчивается; длительностьтакого процесса лежит обычно в микросекундном диапазоне. Характер процессарадикально меняется, если переключение производится на дрейфовой стадиинакопления. В этом случае тонкий слой плазмы Р₂ истощаетсяочень быстро и у n -слоя формируется фронт концентрац. волны, к-рыйв условиях биполярного дрейфа отходит от n -слоя, оставляя послесебя область с концентрацией электронов, определяемой исходным легированием. <Поскольку при биполярном дрейфе скорость носителей тем больше, чем меньшеконцентрация, то крутизна заднего фронта при движении нарастает. Одновременноидут рассасывание плазмы и образование ОПЗ у р - v -перехода, причёммомент подхода фронта к плазменной области Р₁ совпадаетс её полным истощением, и далее ОПЗ расширяется очень быстро за счёт уходаосн. носителей в поле, создаваемое в нейтральной v -базе обратнымтоком. Т. о., база легирована слабо, что даже при небольшом токе поле достаточновелико, для того чтобы носители и, следовательно, ОПЗ двигались с насыщеннойскоростью; тогда длительность процесса восстановления составляет единицынc и менее. Поэтому при дрейфовом характере процессов включения и выключениябыстродействие pvn -диода очень велико, но концентрация плазмы вбазе и, следовательно, проводимость её во включённом состоянии сравнительноневелики, в то время как диффузионные процессы позволяют обеспечить высокуюпроводимость, но протекают значительно медленнее. Для управления сравнительнонебольшой СВЧ-мощностью, особенно в приёмных трактах, используются низковольтные pin -диодыс тонким базовым слоем. В этом случае достаточное быстродействие обеспечиваютдиффузионные процессы, позволяющие осуществить очень большие перепады концентрациии, следовательно, проводимости. При этом время жизни носителей в базе должнобыть малым, но для приемлемой однородности распределения концентрации плазмынеобходимо, чтобы выполнялось соотношение где - время жизни носителей в базе. Для управления СВЧ-сигналами большой мощностииспользуются высоковольтные pin -диоды с широкой базой, работающиев осн. на дрейфовых процессах.

Следует отметить, что форма импульса токачерез диод и форма импульса СВЧ-мощности в модуляторе могут не совпадать, <поскольку проводимость диода существенно зависит от целого ряда нелинейныхэффектов, возникающих при большой плотности тока и большой концентрацииплазмы. Напр., в области больших плотностей тока рост проводимости диодас ростом тока и, следовательно, ослабление СВЧ-мощностп насыщаются из-западения коэф. инжекции переходов, уменьшения подвижности носителей из-заэлектропно-дырочного рассеяния и увеличения темпа их рекомбинации из-заоже-процессов. С др. стороны, при переключении диода из прямого смещенияна обратное при относительно небольших плотностях тока ослабление СВЧ-мощностиначинает уменьшаться практически сразу, хотя постоянный обратный ток протекаетдовольно долго. Это связано с уменьшением проводимости областей, прилегающихк р - п -переходам, из-за выведения носителей во внеш. цепь.

При прямом смещении и высокой концентрацииплазмы в базе сопротивление диода можно считать чисто активным независимоот величины СВЧ-сигнала, но при малой либо нулевой концентрации приходитсяучитывать, что при непрерывном воздействии СВЧ-сигнала у р - n -переходоввозникает избыточная концентрация неравновесных носителей, осциллирующаяоколо нек-рой постоянной составляющей. Поведение этой составляющей аналогичноповедению избыточных носителей, инжектированных в базу при прямом смещении. <Это означает, что избыточная концентрация распространяется путём диффузиилибо биполярного дрейфа на всю базу, повышая её проводимость; поэтому придостаточной мощности СВЧ-сигнала проводимость диода увеличивается дажебез воздействия управляющего смещения.

Диапазон параметров совр.pin -диодов, <предназначенных для управления СВЧ-мощностыо, очень широк. Сравнительномаломощные диоды с макс. мощностью рассеяния < 1 Вт имеют времена переключенияв наносекундном диапазоне. Мощные диоды (рассеиваемая мощность ~10 Вт)коммутируют импульсную СВЧ-мощность (~10 кВт) с временами переключенияв мак-росекундном диапазоне. Осн. материалами для этих приборов являютсякремний, германий и арсенид галлия, осн. технол. методами изготовления- диффузия, сплавление, эпитаксия и ионная имплантация.

Вторая важная область применения pin -диодов- оптоэлектроника, где они используются в качестве высокочувствительныхбыстродействующих фотоприёмников. На рис. 3 показана фоточувствительная p⁺i(v)n⁺- структура при обратном смещении, величина к-рого выбирается такой, <чтобы ОПЗ р ⁺ - v -перехода занимала всю базу. Падающеена прозрачное окно фотодиода излучение с незначит. потерями в p⁺ -слое достигает i(v )-базы, <в к-рой поглощается с генерацией электронно-дырочных пар. Пары разделяютсяв поле ОПЗ и дрейфуют к соответствующим электродам, вызывая появление фототока. <Предельное быстродействие pin -фотодиода ограничивается временемпролёта носителей через i(v )-бaзу с насыщенной скоростью, а предельнаячувствительность - шумовым током. Осн. материалом для pin- фотодиодовявляется кремний, осн. технол. методами изготовления - планарно-эпитаксиалъные.

Рис. 3. p⁺i(v)n⁺ -структypa фотодиода.

p⁺i(v)n⁺ -структура лежит в основе конструкции полупроводникового элемента совр. <выпрямит. диодов большой мощности, в к-рых толщина i(v )-базы выбираетсятак, чтобы ОПЗ р⁺ - i(v )-перехода занимала всютолщину базы при напряжении лавинного пробоя, соответствующем уд. сопротивлениюматериала базы. Такая геометрия позволяет сочетать высокое блокируемоенапряжение с относительно малым напряжением в проводящем состоянии прибольшой плотности тока, определяемой в осн. толщиной базы и временем жизниносителей в ней. Однако при этом необходимо использовать спец. конструкциюкраевого контура р - n -перехода, препятствующую смыканию ОПЗ р ⁺- v^- перехода с n⁺ -контактом на поверхностиполупроводника, граничащей с окружающей средой.

Лит.: Дзехцер Г. Б., Орлов О. С.,pin -диоды в широкополосных устройствах СВЧ, М., 1970; Носов Ю. Р.,Оптоэлектроника, 2 изд., М., 1989; Тучкевич В. М., Грехов И. В., Новыепринципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, Л.,1988.

И. В. Грехов.