Pion (particule) - Définition

Historique

Prédiction et découverte

Pions chargés

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

En 1947, Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini de l'Université de Bristol découvrent les premiers mésons : les pions π⁺ et π^-. Pour ce faire, Cecil Powell a envoyé des ballons à très hautes altitudes 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.

Un an plus tard, Cesar Lattes et Eugene Gardner découvre à Berkeley la production de pions artificiels en bombardant des atomes de carbones avec des particules alpha.

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, 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.

Pion neutre

Le π⁰ a été découvert en 1950 au cyclotron de Berkeley grâce aux produits de sa désintégration. 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 selon une des deux équations :

, où γ₁ représente les photons du rayonnement fossile et γ₂ le rayon cosmique.

• Dans le cadre de la chromodynamique quantique (théorie quantique des champs décrivant l'interaction nucléaire forte), le pion est un quasi-boson de Goldstone associé à la brisure spontanée de symétrie chirale. Le théorème de Goldstone prédit que pour chaque brisure spontanée de symétrie, un boson sans masse devrait apparaître, les pions devraient donc avoir une masse nulle. Cependant, il a été observé expérimentalement que les pions avaient une masse. En fait, dans le cadre d'une symétrie locale, le boson de Goldston est en quelque sorte absorbé par le boson de jauge, et acquiert ainsi une masse.

• Les pions ont des applications en médecine comme par exemple en radiothérapie : le laboratoire national de Los Alamos a traité deux-cent-vingt-huit patients entre 1974 et 1981 par des mésons π^- et l'université de la Colombie-Britannique à Vancouver possède un cyclotron pour ce type de traitement.