p-мезоны в значительной степени определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы. Являясь основными продуктами ядерных взаимодействий частиц первичного космического излучения (протонов и более тяжёлых ядер) с ядрами атомов атмосферы, пионы входят в состав ядерно-активной компоненты космических лучей; распадаясь, p⁺- и p^--мезоны создают проникающую компоненту космического излучения — мюоны и нейтрино высоких энергий, а p-мезоны — электронно-фотонную компоненту.

  История открытия. Гипотеза о существовании пионов как «переносчика» ядерных сил была высказана японским физиком Х. Юкава в 1935 для объяснения короткодействующего характера и большой величины ядерных сил. Из неопределённостей соотношениядля энергии и времени следовало, что если действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре силы обусловлены обменом квантами поля ядерных сил, то масса этих квантов (позднее они были названы p-мезонами) должна составлять около 300 электронных масс. Частицы приблизительно такой массы были обнаружены в 1936—37 в космических лучах. Однако они не обладали свойствами частиц, предсказанных Юкавой (см.Мюон). Поиски заряженных p-мезонов увенчались успехом лишь в 1947, когда английскими учёными С. Латтесом, Х. Мюирхедом, Дж. Оккиалини и С. Ф. Пауэллом были найдены в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами на большой высоте над поверхностью Земли, треки частиц, свидетельствующие о распаде p⁺ ® m⁺ + n_m (см. рис. 2). В лабораторных условиях заряженные пионы были впервые получены в 1948 на ускорителе в Беркли (США). Существование нейтральных пионов вытекало из обнаруженной на опыте зарядовой независимости ядерных сил (взаимодействие между одинаковыми нуклонами — двумя протонами или двумя нейтронами — может осуществляться только обменом нейтральными пионами). Экспериментально p°-мезоны были впервые обнаружены в 1950 по g-квантам от их распада; p рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии (около 330 Мэв) с ядрами. Обладая массой покоя m_p, пионы требуют для своего образования («рождения») затраты энергии, не меньшей их энергии покоя m_pс². Так, для протекания реакции р + р ® р + р + p необходимо, чтобы кинетическая энергия налетающего протона р превышала пороговую энергию, которая в лабораторной системе координат составляет около 282 Мэв. Пороговая энергия образования пионов на тяжёлых ядрах ниже, чем на протонах, и близка к m_pс².

  Источники пионов. Одним из важнейших источников пионов в природе, как уже говорилось, являются космические лучи. Под действием первичной компоненты космических лучей пионы рождаются в верхних слоях атмосферы, но из-за ядерного поглощения и распада до уровня моря доходит лишь их незначительная часть. Исследования космических лучей на высокогорных станциях и с помощью аппаратов, вынесенных в верхние слои атмосферы и космическое пространство, дают важные сведения о пионах и их взаимодействиях. Однако количественное изучение свойств пионов выполняется преимущественно на пучках частиц высокой энергии, получаемых на ускорителях протонов и электронов. На ускорителях были установлены квантовые числа пионов, произведены точные измерения масс, времён жизни, редких способов распада, детально изучены реакции, вызываемые пионами. Современные ускорители создают пучки пионов высокой энергии (десятки Гэв) с потоками ~ 10⁷ пионов в 1 сек, а так называемые «мезонные фабрики» (сильноточные ускорители на энергии ~ 1 Гэв) должны давать потоки до 10¹⁰ пионов в 1 сек. Пучки быстрых заряженных пионов, которые проходят до распада десятки и сотни м, обычно транспортируются к месту изучения их свойств и взаимодействий по специальным вакуумным каналам. На рис. 3 изображена схема установки для получения и исследования p^--мезонов.

  Пучки получаемых на ускорителях p^- -мезонов начинают применять в лучевой терапии. Продукты распада пионов (мюоны, нейтрино, фотоны, электроны и позитроны) используются для изучения слабых и электромагнитных взаимодействий.

  Взаимодействия пионов. Наиболее специфичным для p-мезонов является сильное взаимодействие, которое характеризуется максимальной симметрией (выполнением наибольшего числа законов сохранения), малым радиусом действия сил (£ 10^-13см) и большой константой взаимодействия (g). Так, безразмерная константа, характеризующая связь пионов с нуклонами, g²/

c » 14,6 в тысячи раз превышает безразмерную константу электромагнитного взаимодействия

  a = e²/

c » ¹/₁₃₇

(здесь

 — постоянная Планка).

  К процессам сильного взаимодействия пионов относятся рассеяние пионов нуклонами, рождение пионов в столкновениях адронов, аннигиляция антинуклонов и нуклонов с образованием пионов, рождение пионами так называемых странных частиц — К-мезонов и гиперонов и др. Неупругие взаимодействия адронов при высоких энергиях (>10⁹эв) обусловлены преимущественно процессами множественного рождения пионов (см. Множественные процессы). В области меньших энергий (10⁸—10⁹ эв) при взаимодействии пионов с др. мезонами и барионами наблюдается образование квазисвязанных систем — возбуждённых состояний мезонов и барионов (так называемых резонансов) с временем жизни 10^-22 — 10^-23сек. Эти состояния могут проявляться, например, в виде максимумов в энергетической зависимости полных сечений реакций (рис. 4).

  Пионы, как и все адроны, испускают и поглощают виртуальные сильно взаимодействующие частицы (или пары частиц-античастиц). Радиус создаваемого таким образом облака виртуальных адронов, окружающего заряженные пионы, составляет примерно 0,7×10 ^-13см.

  Среди электромагнитных взаимодействий пионов наиболее полно изучены процессы рождения p-мезонов фотонами и электронами. Специфической чертой электромагнитных процессов с участием пионов является определяющая роль сильных взаимодействий. Так, характерный максимум в зависимости полного сечения процесса е⁺ + е^- ® p⁺+ p^- + p° от энергии (рис. 5) обусловлен резонансным взаимодействием в системе трёх пионов (максимум соответствует энергии покоя w-мезона, который распадается на 3p). Хорошо изученное электромагнитное поле служит эффективным инструментом для исследования природы p-мезонов.

  Слабое взаимодействие играет важную роль в физике p-мезонов, обусловливая нестабильность заряженных пионов, а также распады странных частиц на пионы. Изучение распадов p ® m + n, К ® p + p, К ® p + p + p привело к важнейшим открытиям физики. Было установлено следующее: образующееся в результате p — m^- -распада нейтрино (n_m) отличается от нейтрино (n_e), возникающего при бета-распаде атомных ядер (см. Нейтрино), в слабом взаимодействии не сохраняется пространственная чётность (Р); в распадах на пионы так называемых долгоживущих нейтральных К-мезонов (

) нарушается закон сохранения комбинированной чётности (см. Комбинированная инверсия).

  Роль пионов в физике ядра и элементарных частиц. Исследование процессов взаимодействия пионов с элементарными частицами и атомными ядрами существенно для выяснения природы элементарных частиц и определения структуры ядер.