Le pion

L'existence du pion a été prédite théoriquement par Hideki Yukawa en 1935. Yukawa cherchait à expliquer la nature de la force nucléaire forte, celle qui lie les protons et les neutrons au sein du noyau atomique, d'une manière similaire à l'explication de la force électromagnétique par l'échange de photons. Il postula l'existence d'une particule médiatrice, dont la masse devait être intermédiaire entre celle de l'électron et celle du proton pour rendre compte de la courte portée de cette force (environ 1 femtomètre). C'est de cette masse intermédiaire que vient le nom de "méson" (du grec ancien μέσος, mesos = milieu).

La découverte expérimentale du pion chargé (π⁺ et π⁻) a été faite en 1947 par l'équipe de Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini qui étudiaient les traces laissées par les rayons cosmiques dans des plaques photographiques placées en altitude. Cette découverte a validé l'hypothèse de Yukawa et a constitué un jalon majeur dans la physique nucléaire et la physique des particules. Le pion neutre (π⁰) a été découvert peu après, en 1950.

Il existe trois types de pions, formant un triplet d'isospin : le pion chargé positivement (π⁺), le pion chargé négativement (π⁻), et le pion neutre (π⁰). Le π⁻ est l'antiparticule du π⁺. Le π⁰ est composé de manière à être sa propre antiparticule (techniquement, il s'agit d'une superposition quantique d'une paire quark-antiquark et de son antiparticule).

Selon le Modèle standard de la physique des particules, les mésons sont des particules composites formées d'une paire quark-antiquark. Le pion chargé positivement (π⁺) est constitué d'un quark up (u) et d'un antiquark down (d̄). Le pion chargé négativement (π⁻) est composé d'un antiquark up (ū) et d'un quark down (d). Le pion neutre (π⁰) est une combinaison linéaire d'un état uū et d'un état dđ.

Les pions sont les mésons les plus légers. Le π⁺ et le π⁻ ont des masses quasi identiques, mesurées avec précision à environ 139,57 MeV/c². Le π⁰ est légèrement moins massif, avec une masse d'environ 134,98 MeV/c². Cette différence de masse est principalement due aux effets électromagnétiques et aux différences dans la masse des quarks constitutifs et leurs interactions liées à la chromodynamique quantique (QCD).

Le rôle principal des pions, tel que prédit par Yukawa, est de servir de médiateurs à l'interaction nucléaire forte résiduelle entre les nucléons (protons et neutrons) dans le noyau atomique. L'échange de pions chargés entre un proton et un neutron, par exemple, permet de transférer la charge et le spin, créant une force d'attraction puissante à courte portée. L'échange de pions neutres assure également une force d'attraction sans changement de charge.

Les pions sont des particules instables et se désintègrent en d'autres particules. Les modes de désintégration dépendent de la charge du pion.

• Les pions chargés (π⁺ et π⁻) se désintègrent principalement via l'interaction faible. 

Le π⁺ se désintègre majoritairement (à environ 99,987%) en un muon positif (μ⁺) et un neutrino muonique (νμ). Il existe également un mode de désintégration beaucoup plus rare (environ 0,012%) en un positron (e⁺) et un neutrino électronique (νe). La vie moyenne du π⁺ est d'environ 2,6 x 10⁻⁸ secondes. 

Le π⁻ se désintègre de manière analogue en un muon négatif (μ⁻) et un antineutrino muonique (ν̄μ) ou, rarement, en un électron (e⁻) et un antineutrino électronique (ν̄e), avec une vie moyenne identique à celle du π⁺.

• Le pion neutre (π⁰) se désintègre beaucoup plus rapidement, principalement via l'interaction électromagnétique, en deux photons (γγ). Ce mode de désintégration représente environ 98,8% des cas. D'autres modes de désintégration du π⁰, impliquant notamment des conversions internes en paires électron-positron (effet Dalitz), sont possibles mais beaucoup plus rares (environ 1,2%). La vie moyenne du π⁰ est extrêmement courte, de l'ordre de 8,4 x 10⁻¹⁷ secondes.