π介子

π介子照射治療裝置

將粒子加速器產生的400兆電子伏特以上的質子束射在靶上進行轟擊，就會產生帶負電荷的冗介子。利用特殊形狀的超導磁體，將π介子引導到人體內部，就能夠進行破壞癌細胞等醫學治療。

利用x射線或電子線的放射線療法仍得到廣泛使用，但在這種治療過程中，沿照射方向患部以外的健全細胞也受到破壞的可能性很大。

然而利用π介子就可避免發生這種副作用。當π介子進入人體內部的時候，首先使物質內部發生弱離子化，同時逐漸失去能量。到最後，在完全靜止之前，會與氧，氮、碳等元素的原子核發生反應，產生了中子，質子和α粒子等，從而使物質獲得了很大的能量。如果精細調節入射能量，使最後發生反應的部位深度與患病部位的深度相吻合，就可以在基本不影響其它正常細胞的情況下，集中能量專門破壞癌細胞。

湯川的介子理論要求一種比電子重二三百倍的“介子”出現。1936年尼德梅耶和安德森在宇宙線中發現一種質量約為電子質量207倍的帶電粒子，它們的電荷為±e．起初人們以為，這就是湯川理論所預言的介子，於是稱之為“μ介子”。但是以後多年的研究發現，這種粒子與原子核的相互作用很弱，不大可能是湯川預言的那種粒子。“μ介子”的名稱是歷史的誤會，現改稱μ子。

1947年鮑威爾在宇宙線中又發現了一種質量約為電子273倍的帶電粒子，電荷也是±e。它們與原子核間有很強的相互作用，被命名為π介子。π介子也是不穩定的粒子，平均壽命是26.03ns。人們公認，π介子才是湯川理論中傳遞核力的粒子。1950年中性π介子π被發現，其平均壽命更短，只有8.4x10s。

π介子是基本粒子的一種。屬介子類，自旋角動量為0，1947年被確認。它分為三種，靜止質量分別為139.569MeV/c，139.569MeV/c和134.965MeV/c，帶電分別為+1、-1和0電子電量，平均壽命分別為2.603x10、2.603x10和0.84x10s。

不接受新粒子的情況下，提出一種新的核力場理論，認為存在起強相互的π介子，介子理論的提出，推動了核物理研究的發展，介子屬於強子，共由16種粒子，每個粒子都包括了一個夸克和對應的一個反夸克。

1935年由湯川秀樹理論工作預測了作為強力的傳遞粒子-介子的存在。從強核力（從原子核的半徑推斷）的範圍，Yukawa預測了質量約為100MeV的粒子的存在。最初在1936年發現之後，muon（最初稱為“mu介子”）被認為是這類粒子，因為它的質量為106MeV。然而，後來的實驗表明，muon沒有參與強的核相互作用。在現代術語中，這使得muon成為一個平常的輕子，而不是介子。然而，一些天體物理學家社區繼續稱之為“mu-meson”。

1947年，由塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell），塞薩爾·拉特（CésarLattes），朱塞佩·奧卡里尼（Giuseppe Occhialini）等人的合作，發現了第一個真正的介子，在英國布里斯託大學。由於粒子加速器的出現尚未到來，高能亞原子粒子只能從大氣宇宙射線獲得。基於明膠銀工藝的攝影乳液長時間放置在位於高原山脈的位置，首先在比利牛斯山脈的比杜爾山（Picdu Midide Bigorre），後來在安第斯山脈的Chacaltaya，那裡的板塊被擊中宇宙射線在照相板的顯影之後，乳液的顯微鏡檢查顯示帶電的亞原子粒子的軌跡。首先通過它們的不尋常的“雙介子”軌跡來確定它們的殘留物，這些軌道被它們的衰變留在推定的介子中。該粒子被鑒定為一個muon，在現代粒子物理學中通常不被分類為介子。

在1948年，Lattes，尤金·加德納和他們的團隊首先在加利福尼亞州伯克利的加利福尼亞大學的回旋加速器中人造生產了用高速α粒子轟擊碳原子的圓片。Riazuddin進行了進一步的高級理論研究，Riazuddin在1959年利用色散關係將康普頓散射在虛擬光子上，分析其電荷半徑。

這三個年輕人那時正在躲避德國人，因為德國人要把他們流放到德國去進行強制勞動。他們三個人躲在羅馬的一個地下室中秘密地工作，他們發現，正μ介子和負μ介子在物質中受阻止時的行為不一樣。正μ介子的衰變或多或少象在真空中一樣，而負μ介子如果被重核所阻止，則被其俘獲併產生蛻變，但當它們被像碳這樣的輕核所俘獲時，則它們的衰變大部份就象在真空中一樣，這不是湯川粒子所應具有的特性，因為一旦介子距離原子核足夠近時，特定的核力就應當產生蛻變，所以湯川粒子應當與輕的或重的原子核都發生劇烈的反應。實驗證明情況並非如此，因此μ介子不大會是湯川粒子。

情況確實非常奇怪。湯川已經預言存在著質量約等於300個電子質量的粒子，有人也已找到了它們，但這種粒子卻又不是湯川所預言的那種粒子。理論物理學家對康弗西、潘錫尼和皮西奧尼克的結果感到迷惑不解，而這些結果從實驗觀點來看，卻又非常可靠。理論家們決心找出答案。日本的谷川、坂田和井上及美國的H．A．貝特和R．馬沙克(R．Marshak)，各自獨立地提出了一個可以解決已存在的困難的假設。他們提出，觀察到的μ介子是湯川介子的衰變產物，而尚沒有人觀察到湯川介子。作出吸引人的、看起來是合理的假設是一回事，而要確證一個事實又是另一回事了。

這時，一個新的實驗技術，或者應當說一個老的實驗的改進，為解決這個難題提供了一個有力的工具。早在第一次世界大戰前，盧瑟福實驗室的一位日本物理學家樹下就已證明，通過照相乳膠的α粒子在它們的運動軌跡上留下了一組可顯影的乳膠顆粒，所以人們能夠看到粒子的軌跡。(我們可能會問：量子力學怎麼辦？測不準原理呢？粒子的波動性呢？讀者可以放心，這些問題都有令人滿意的解答，例如海森堡就曾作過詳細的解釋)樹下用的乳膠僅對電離作用較大的粒子才靈敏，電子是探測不到的。經過科學家精密的計算與測量，π介子壽命極短，正常情況下是1/25000000000（二百五十億分之一）秒，當π介子的速度相當接近光速時，它的壽命延長了30倍。