介子-原子核相互作用

介子-原子核相互作用

又叫介子核物理,在中高能核物理中,利用介子作探針來研究原子核的領域。根據所用介子的種類,包括π介子-核相互作用,K介子-核相互作用。習慣上把μ-子與原子核作用形成的μ-子原子的研究也歸入這一領域。

介子-原子核相互作用

正文

介子-原子核-周期表介子-原子核-周期表
又叫介子核物理,在中高能核物理中,利用介子作探針來研究原子核的領域。根據所用介子的種類,包括π介子-核相互作用,K介子-核相互作用。習慣上把μ- 子與原子核作用形成的μ-子原子的研究也歸入這一領域。
利用介子來研究原子核,主要是因為它們具有一些獨特的性質。例如,π介子的同位鏇T=1,它有三種電荷狀態,可以通過電荷交換反應使原子核改變一個甚至兩個單位的電荷,形成某些特殊的原子核狀態。又如,π介子是玻色子,自鏇為0,它可以在核內產生或被吸收。π被吸收後,至少有139.6MeV的能量交給了原子核,這是變革原子核的獨特手段。另一方面,π吸收過程又與核力相聯繫。按照目前的認識,核力是由核子之間交換玻色子而產生的。所以,原子核將會對π介子有較高的回響。再加,π-N(π介子-核子)系統自鏇和同位鏇都是3/2的Δ33共振態粒子,即Δ(1232)的存在以及它的明顯的同位鏇依賴性質,提供了研究核核心子激發態的直接方法,也為研究核內物質分布提供了新的手段。
K介子是另一類用於研究原子核的介子,它的同位鏇為1/2,但它是奇異粒子,具有奇異數S,K+的S=1,K- 的S=-1。它們可以通過(K- ,π- )或(π+,K+)等這類奇異交換反應把核內的中子變成帶奇異數的重子(如Λ或Σ超子),形成超核。(K- ,π- )反應已成為目前產生超核的主要手段。在低能區,K+-N系統沒有共振,其總截面僅約10mb,這相當於K+ 在核物質中的平均自由程λ介子-原子核相互作用≈5~7fm,正因為這種相對弱的相互作用,K+介子又被叫做強作用物理的“電子”。期望K+介子成為探測原子核的內部區域中子分布的有用工具。
μ- 子是只有電磁作用的“重電子”,它的質量是電子的 207倍。它在原子核外的軌道半徑是電子在核外軌道半徑的1/207,從它上面去“看”原子核,將會清楚得多(見μ-子原子)。
20世紀60年代初,人們定性地認識到介子的這些特性有可能用於原子核研究,並開始了先驅性的實驗,發現了一系列新現象。以後相繼建立了一些專門產生 π介子和μ- 子的強流質子加速器,稱為介子工廠。介子工廠的建立並投入運轉,標誌著π、μ 物理的“工業革命”。
介子與原子核的相互作用按其反應類型可分成如下幾種。
彈性和非彈性散射 入射的介子與核碰撞後,原子核仍處於基態或低激發態,前者稱為彈性散射,後者稱為非彈性散射。低能π介子以及 K+在核中的平均自由程較大,人們期望通過介子-核散射的分析得到核內物質分布的信息。當入射π介子的能量在 195MeV附近,由於π-N系統的Δ33共振以及它的同位鏇依賴性,可望通過彈性及非彈性散射過程得以了解核內中子分布,原子核的激發方式以及Δ粒子在核中的形成和傳播等重要知識。
電荷交換反應及奇異交換反應 因為有三種電荷的π介子,就有可能用π介子將核中的一個或兩個中子(或質子)變成質子(或中子),這就是π介子的電荷交換反應。當π介子僅使核中的核子改變了電荷狀態,而空間及自鏇狀態保持不變,這就形成了同位鏇相似態。實驗中用這種方法已在許多核上發現了同位鏇相似態躍遷。用這種反應也發現了一些巨共振(見巨多極共振)。由於 K介子是奇異粒子,它可以通過奇異交換反應將奇異數交換給核子,從而產生包含奇異粒子的新的核物質形態。例如,(K- ,π- )反應是目前產生Λ及∑超核的主要途徑。(π+,K+)是另一類產生超核的反應,它是將核中的中子變成S=-1的Λ粒子,而π+變成S=1的K+介子飛出核外。這些都是介子核物理中特有的反應方式。
介子-核吸收 吸收是指介子把它的總能量(包括其靜止質量)一併交給了原子核,π介子可以被兩個以上的核子吸收。人們期望介子的核吸收能給出核核心子關聯的知識。然而,目前仍然沒有透徹地認識π介子吸收的機制,還不能用它來研究核結構。由於π核吸收的截面很大,甚至可以大到π核非彈性碰撞截面的一半,所以,π核吸收的深入研究是定量地認識到有 π介子-核反應過程的一個關鍵。
雖然K介子也可以被核吸收,但由於它是帶奇異數的粒子,被核吸收以後,一定要將它的奇異數交給核中的核子,把核子變成帶奇異數的重子,如Λ、∑ 等。例如,K- pn→p∑- 以及KPP→n∑+(或pΛ)等過程。

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