パイ中間子

パイ中間子（π中間子、π-meson）は、原子核内の陽子と中性子を結びつける核力という強い力を媒介する役割を担うメソンの一種です。パイ粒子、パイオンとも呼ばれます。

歴史

1935年、大阪大学の湯川秀樹が中間子論においてその存在を予言しました。当初、1936年に発見されたミュー粒子がこの役割を果たすと考えられていましたが、ミュー粒子が強い相互作用をしないことが判明しました。その後、1947年に電荷を持つパイ中間子（π+とπ-）、そして1950年には中性パイ中間子（π0）が発見され、これらの粒子が湯川秀樹の予言した中間子であることが明らかになりました。

種類と特性

パイ中間子はスピンが0で、第一世代のクォークで構成されます。以下の3種類が存在します。

π+: アップクォークと反ダウンクォークで構成され、正電荷を持ちます。
π-: ダウンクォークと反アップクォークで構成され、負電荷を持ちます。π+とπ-は互いに粒子と反粒子の関係にあります。
π0: 自分自身が反粒子である中性粒子です。

電荷を持つπ中間子の質量は約139 MeV/c2で、寿命は2.6 × 10⁻⁸秒です。主な崩壊モードは、反ミュー粒子とミューニュートリノへの崩壊です。


π⁺ → μ⁺ + νμ


一方、π0はわずかに軽く、質量は約135 MeV/c2で、寿命は8.4 × 10⁻¹⁷秒と非常に短いです。主な崩壊モードは、2つの光子への崩壊です。


π⁰ → 2γ


発見の経緯

湯川秀樹は、陽子間の電気的な斥力を超え、中性子を結合させ原子核を安定化させる核力を媒介する粒子として、中間子の存在を提唱しました。その質量は電子と核子の中間程度（約100 MeV/c2）と予測されました。

1947年、セシル・パウエル率いるチームが実験的に電荷を持つパイ中間子を発見しました。当時は高エネルギーの粒子加速器がなかったため、原子核乾板を搭載した観測気球を宇宙線が到達する高高度に飛ばし、回収後の顕微鏡検査によりパイ中間子の軌跡を発見しました。この業績により、湯川秀樹は1949年に、セシル・パウエルは1950年にノーベル物理学賞を受賞しました。

寿命が短く中性であるπ0の同定は困難でしたが、1950年にカリフォルニア大学のサイクロトロンを用いた実験で、π0が2つの光子に崩壊する現象が観察され、その存在が実験的に証明されました。

医療への応用

負電荷を持つパイ中間子（π-）は、その線量分布の特性から、がん治療に応用されています。スイス、カナダ、アメリカなどで治療が行われています。

外部リンク

LIGHT UNFLAVORED MESONS - パーティクル・データ・グループによる粒子データ

関連項目

湯川秀樹
中間子
核力
量子色力学
中間子論
パイオニウム

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