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 равных пропорциях входят и-пары кварков.

Основные характеристики и квантовые числа пионов.

Массы, времена жизни и осн. способы распада пионов 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 сравнению с ядерным временем (~10^-23 с), в табл. элементарных частиц их условно относят к "стабильным" частицам. Электрич. заряд-мезона Q = - 1 (т. е. совпадает с зарядом электрона), для-мезона Q = +1, для-мезона Q = 0. Спин пионов J = 0, т. е. они относятся к классу бозонов. Их внутренняя чётность отрицательна, Р = - 1. Частицы с такими характеристиками спина и чётности (J = 0, Р = - 1) наз. псевдоскалярными: барионное число, лептонное число, странность, очарование, красота пионов равны нулю. Из кваркового состава пионов видно также, что иявляются частицей и античастицей по отношению друг к другу, атождествен своей античастице (т. е. является истинно нейтральной частицей);-мезон имеет 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 состоянияG-чётность пионов отрицательна, G = - 1.
Пионы - наиб. лёгкие в обширном классе адронов, что обусловливает их особую роль среди элементарных частиц. Облако виртуальных-мезонов, окружающих адроны, определяет размеры адронов, составляющие в соответствии с неопределённостей соотношением величину ~ 10^-13 см.

Распады пионов. Пионы участвуют во всех известных типах взаимодействий: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Поскольку-мезоны имеют наименьшую массу среди адронов, их распад на более лёгкие частицы не может происходить за счёт сильного взаимодействия и связан с появлением др. взаимодействий. Способы распада пионов определяются их квантовыми числами. Распадпроисходит за счёт эл--магн. взаимодействия и из-за сохранения зарядовой чётности в этом взаимодействии возможен лишь на чётное число фотонов (фотон имеет отрицат. зарядовую чётность). Сохранение электрич. заряда требует, чтобы при распаде заряженного-мезона его заряд компенсировался присутствием среди продуктов распада заряж. лептона ( или). В свою очередь сохранение лептон-ного числа требует появления или в паре с соответствующим типом нейтрино (антинейтрино), так чтобы их суммарное лептонное число равнялось нулю (табл.). Обязат. присутствие среди 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. Пионы являются осн. продуктом сильного взаимодействия адронов при высоких энергиях. По этой причине пионы в значит. степени определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы. Будучи осн. продуктами ядерных взаимодействий частиц первичного космич. излучения (протонов и более тяжёлых ядер) с ядрами атомов воздуха, пионы входят в состав электронно-ядерных и широких атм. ливней. Распадаясь,-мезоны создают проникающую компоненту космич. излучения - мюоны и нейтрино высоких энергий, 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 точки образования пионов. При взаимодействии ускоренных протонов с ядрами на совр. ускорителях заряж. частиц можно получить пучки пионов с энергией до неск. сотен ГэВ. Продукты распада нейтральных пионов используются для получения пучков высокоэнергичпых -квантов, электронов и позитронов. Потоки пионов, получаемые на мезонных фабриках - высокоинтенсивных ускорителях средних энергий (1ГэВ), могут превышать в пучке 10¹⁰ пионов/с.

История открытия. Существование пионов было постулировано X. Юкавой (Н. Yukawa) в 1935 для объяснения короткодействующего характера и большой величины ядерных сил. Из соотношения неопределённостей для энергии и времени следовало, что если действующие между нуклонами в ядре силы обусловлены обменом квантами поля ядерных сил, то масса этих квантов (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, свидетельствующие о распаде (рис. 1).
Существование нейтральных пионов следовало из обнаруженной на опыте зарядовой независимости ядерных сил (взаимодействие между одинаковыми нуклонами - двумя протонами или двумя нейтронами - может осуществляться только путём обмена нейтральными ионами). Экспериментально-мезоны были обнаружены в 1950 по-квантам от 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 ускорителе в Беркли (США). Обладая массой, пионы требуют для своего рождения затраты энергии, не меньшей их энергии покоя m_pc². Так, для рождения пиона при столкновении двух нуклонов, N + N N + N + необходимо, чтобы кинетич. энергия нуклона (в лаб. системе), налетающего на покоящийся нуклон, была выше пороговой энергии = 292 МэВ; для фоторождения пиона на нуклоне, N,150 МэВ.

Взаимодействие пионов. Количеств. изучение свойств пионов и их взаимодействий выполнены преим. на пучках частиц высоких энергийна ускорителях.

Рис. 1. Фотография одного из первых зарегистрированных в ядерных фотоэмульсиях случаев распада

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

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

В области энергий выше порога мезонообразования и до ~10⁹ эВ при взаимодействии пионов с протонами или нуклонами ядер наблюдается интенсивное образование квазисвязанных мезонных и барионных систем, 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 неупругие процессы)описываются на основе квантовой хромодинамики.

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

Исследование процессов глубоко неупругого рассеяния пионов позволяет определить т. н. структурную функцию, характеризующую распределение по импульсам кварков и антикварков (партонов), входящих в состав рассеивающегося пиона (рис. 4).

Рис. 4. Структурная функция заряженных пионов, 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 носит феноменологич. характер. Основой теоре-тич. описания процессов взаимодействия и распада адронов низких энергий с участием пионов является т. н. киральная симметрия, справедливая в приближении равенства нулю массы псевдоскалярных мезонов (пионов).
Взаимодействие пионов с-квантами определяется их эл--магн. свойствами - электрич. зарядом, эл--магн. радиусом, формфактором, поляризуемостью. Эл--магн. характеристики пионов были определены в спец. опытах, в к-рых изучались редкие процессы рассеяния пионов высоких энергий на атомных электронах и на кулоновском поле атомных ядер. Найденное значение эл--магн. радиуса заряженных пионов составляет 0,66 (0,01)х10^-13 см, поляризуемости = 6,9х(1,4)х 10^-43см³. Взаимодействие фотонов с адронами при энергиях выше ~150 МэВ определяется в основном процессами фоторождения пионов.

Использование пионов. Реакции взаимодействия и распада пионов служат ценным источником информации не только о свойствах пионов, но и об общих закономерностях взаимодействий элементарных частиц. В качестве примеров можно привести следующие. Измерения отношения вероятностей распадов и были использованы 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 гамильтониана слабого взаимодействия. Открытие бета-распада пиона (Ю. Д. Прокошкин и др.) явилось эксперим. подтверждением сформулированной С. С. Герштейном и Я. Б. Зельдовичем гипотезы о сохранении векторного тока в слабом взаимодействии (см. Векторного тока сохранение ).Теоретич. объяснение эксперим. значения вероятности распада в кварковой теории оказалось возможным лишь при использовании предположения о том, что кварки обладают квантовым числом цвет .Исследование спектра эфф. 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 числами пионов. Эти состояния, названные и-мезонами, интерпретируются как радиальные возбуждения системы из двух кварков, входящих в пион (А. А. Тяпкин и др.).
Интенсивные пучки-мезонов средних энергий, получаемые на мезонных фабриках, начинают применять в прикладных целях, в частности в лучевой терапии злокачеств. опухолей. Наиб. эффект даёт использование -мезонов, т. к. дополнит. энерговыделение, связанное с расщеплением ядер при поглощении ими остановившихся может быть хорошо локализовано в поражённом органе. Медленные заряж. пионы, и особенно образующиеся при их распаде мюоны, используются для изучения структуры вещества (см. Мезонная химия).

Лит.: Росси Б., Частицы больших энергий, 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 легирована настолько слабо, что уже при небольшом обратном смещении она полностью перекрывается областью пространственного заряда (ОПЗ) р - п-перехода.
Обычно этот прибор является pvn- либо-диодом, где v,означают слаболегиров. материал n- либо р-типа проводимости. Материал с собств. проводимостью (i-материал; от англ, intrinsic - собственный) может быть получен только путём точной взаимной компенсации легирующих примесей; технологически такая компенсация весьма сложна и применяется редко.
Используются pin-диоды обычно в качестве переключателей, аттенюаторов, ограничителей и модуляторов СВЧ-колебаний, а также в качестве быстродействующих фотоприёмников и мощных выпрямит. диодов.
Общим свойством pin-диода, к-рое используется при всех видах управления СВЧ-сигналом, является сильное изменение его проводимости под воздействием внеш. управляющего источника напряжения (тока). Такой диод включается в СВЧ-тракт, и путём изменения его проводимости производится 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 смещении и рекомбинацией.
При резком приложении прямого смещения р - v-переход (рис. 1, 2) инжектирует дырки в базу, их поле притягивает электроны, в результате чего у перехода образуется тонкий слой Р₁эл--нейтральной электронно-дырочной плазмы. Протекающий электронный ток создаёт в базовой области поле, вытягивающее из слоя P₁ дырки. Эти дырки с компенсирующими их электронами движутся к n-слою в условиях биполярного дрейфа при промежуточном уровне инжекции, т. е. формируется плазменная концентрац. волна Р_f, быстро достигающая n-слоя; после этого у его границы начинается формирование эл--нейтрального плазменного слоя Р₂. Одновременно с быстрым биполярным дрейфом идёт сравнительно медленное встречное диффузионное движение плазменных слоев Р₁ и Р₂, после смыкания к-рых в базе через определ. время формируется стационарное распределение плазмы.

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

Характерные времена процессов биполярного дрейфа лежат в наносекундном, а времена диффузионных процессов - в микросекундном диапазонах (tW²/2D, где D - коэф. амбиполярной диффузии, W - ширина базы); однако биполярный дрейф идёт при концентрации носителей, не сильно превышающей уровень легирования, а для диффузионных процессов превышение обычно составляет 2 - 3 порядка и более.
Характер процесса восстановления диода при переключении на обратное смещение существенно зависит от того, на какой стадии был прерван процесс накопления плазмы при прямом смещении. Если длительность накопления была достаточна для "схлопывания" диффузионных слоев, то восстановление протекает довольно медленно. Дырки из плазмы у р - v-перехода выводятся в р-слой, а электроны движутся к n-слою в слабом поле, создаваемом протекающим через плазму практически постоянным обратным током; одновременно идёт рекомбинация носителей в плазме. После спада концентрации дырок у р - v-перехода до равновесного значения начинает формироваться ОПЗ, граница к-рой смещается к n-слою со скоростью движения электронов в слабом поле; ток в цепи падает, а напряжение на диоде нарастает. Затем ОПЗ занимает весь базовый слой, избыточные носители полностью удаляются из базы, и процесс переключения заканчивается; длительность такого процесса лежит обычно в микросекундном диапазоне. Характер процесса радикально меняется, если переключение производится на дрейфовой стадии накопления. В этом случае тонкий слой плазмы Р₂ истощается очень быстро и у n-слоя формируется фронт концентрац. волны, к-рый в условиях биполярного дрейфа отходит от n-слоя, оставляя после себя область с концентрацией электронов, определяемой исходным легированием. Поскольку при биполярном дрейфе скорость носителей тем больше, чем меньше концентрация, то крутизна заднего фронта при движении нарастает. Одновременно идут рассасывание плазмы и образование ОПЗ у р - v-перехода, причём момент подхода фронта к плазменной области Р₁ совпадает с её полным истощением, и далее ОПЗ расширяется очень быстро за счёт ухода осн. носителей в поле, создаваемое в нейтральной v-базе обратным током. Т. о., база легирована слабо, что даже при небольшом токе поле достаточно велико, для того чтобы носители и, следовательно, ОПЗ двигались с насыщенной скоростью; тогда длительность процесса восстановления составляет единицы нc и менее. Поэтому при дрейфовом характере процессов включения и выключения быстродействие pvn-диода очень велико, но концентрация плазмы в базе и, следовательно, проводимость её во включённом состоянии сравнительно невелики, в то время как диффузионные процессы позволяют обеспечить высокую проводимость, но протекают значительно медленнее. Для управления сравнительно небольшой СВЧ-мощностью, особенно в приёмных трактах, используются низковольтные pin-диоды с тонким базовым слоем. В этом случае достаточное быстродействие обеспечивают диффузионные процессы, позволяющие осуществить очень большие перепады концентрации и, следовательно, проводимости. При этом время жизни носителей в базе должно быть малым, но для приемлемой однородности распределения концентрации плазмы необходимо, чтобы выполнялось соотношение где - время жизни носителей в базе. Для управления СВЧ-сигналами большой мощности используются высоковольтные pin-диоды с широкой базой, работающие в осн. на дрейфовых процессах.
Следует отметить, что форма импульса тока через диод и форма импульса СВЧ-мощности в модуляторе могут не совпадать, поскольку проводимость диода существенно зависит от целого ряда нелинейных эффектов, возникающих при большой плотности тока и большой концентрации плазмы. Напр., в области больших плотностей тока рост проводимости диода с ростом тока и, следовательно, ослабление СВЧ-мощностп насыщаются из-за падения коэф. инжекции переходов, уменьшения подвижности носителей из-за электропно-дырочного рассеяния и увеличения темпа их рекомбинации из-за оже-процессов. С др. стороны, при переключении диода из прямого смещения на обратное при относительно небольших плотностях тока ослабление СВЧ-мощности начинает уменьшаться практически сразу, хотя постоянный обратный ток протекает довольно долго. Это связано с уменьшением проводимости областей, прилегающих к р - п-переходам, из-за выведения носителей во внеш. цепь.
При прямом смещении и высокой концентрации плазмы в базе сопротивление диода можно считать чисто активным независимо от величины СВЧ-сигнала, но при малой либо нулевой концентрации приходится учитывать, что при непрерывном воздействии СВЧ-сигнала у р - n-переходов возникает избыточная концентрация неравновесных носителей, осциллирующая около нек-рой постоянной составляющей. Поведение этой составляющей аналогично поведению избыточных носителей, инжектированных в базу при прямом смещении. Это означает, что избыточная концентрация распространяется путём диффузии либо биполярного дрейфа на всю базу, повышая её проводимость; поэтому при достаточной мощности СВЧ-сигнала проводимость диода увеличивается даже без воздействия управляющего смещения.
Диапазон параметров совр. pin-диодов, предназначенных для управления СВЧ-мощностыо, очень широк. Сравнительно маломощные диоды с макс. мощностью рассеяния < 1 Вт имеют времена переключения в наносекундном диапазоне. Мощные диоды (рассеиваемая мощность ~10 Вт) коммутируют импульсную СВЧ-мощность (~10 кВт) с временами переключения в мак-росекундном диапазоне. Осн. материалами для этих приборов являются кремний, 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 высокочувствительных быстродействующих 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. Падающее на прозрачное окно фотодиода излучение с незначит. потерями в p⁺-слое достигает i(v)-базы, в к-рой поглощается с генерацией электронно-дырочных пар. Пары разделяются в поле ОПЗ и дрейфуют к соответствующим электродам, вызывая появление фототока. Предельное быстродействие pin-фотодиода ограничивается временем пролёта носителей через i(v)-базу с насыщенной скоростью, а предельная чувствительность - шумовым током. Осн. материалом для pin-фотодиодов является кремний, осн. технол. методами изготовления - планарно-эпитаксиалъные.

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

p⁺i(v)n⁺- структура лежит в основе конструкции полупроводникового элемента совр. выпрямит. диодов большой мощности, в к-рых толщина i(v)-базы выбирается так, чтобы ОПЗ р⁺ - i(v)-перехода занимала всю толщину базы при напряжении лавинного пробоя, соответствующем уд. сопротивлению материала базы. Такая геометрия позволяет сочетать высокое блокируемое напряжение с относительно малым напряжением в проводящем состоянии при большой плотности тока, определяемой в осн. толщиной базы и временем жизни носителей в ней. Однако при этом необходимо использовать спец. конструкцию краевого контура р - n-перехода, препятствующую смыканию ОПЗ р⁺ - v^-перехода с n⁺-контактом на поверхности полупроводника, 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., Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, Л., 1988.

И. В. Грехов.