パイオニウム

パイオニウム（英: Pionium）は、正負の電荷を持つパイ中間子2個がクーロン力によって束縛されたエキゾチック原子である。実験的には、加速器で加速した陽子を標的となる原子核に衝突させて作られる。 平均寿命は3×10-15秒程度で、大部分は強い相互作用によって2個の中性パイ中間子π0に崩壊し、0.4%程度の低確率で2個の光子に崩壊する。 現在、欧州原子核研究機構 (CERN) におけるDIRAC実験では、パイオニウムの平均寿命を調べる研究が行われている。この実験では、2008年に11%、2011年に9%程度の標準誤差でパイオニウムの平均寿命が報告されている。 2005年にCERNで行われた NA48/2実験では、荷電K中間子の崩壊過程においてパイオニウムが生成する証拠が得られ、終状態として3個のパイ中間子が得られる反応（K±→π±π0π0）について調べられた。 パイオニウムの平均寿命を実験で測定することは、パイオニウム崩壊のような低エネルギー領域の物理現象を記述する理論（カイラル摂動論）の精度を検証するためにも重要な課題である。 一般に粒子の平均寿命の逆数は崩壊幅として表されるが、パイオニウムのπ0π0崩壊に対する崩壊幅はS波のππ散乱長と関係している。パイオニウムA2πの基底状態について、平均寿命τと崩壊幅Γは τ A 2 π − 1 = Γ A 2 π → γ γ + Γ A 2 π → π 0 π 0 {\displaystyle \tau _{A_{2\pi }}^{-1}=\Gamma _{A_{2\pi }\to \gamma \gamma }+\Gamma _{A_{2\pi }\to \pi ^{0}\pi ^{0}}} Γ A 2 π → π 0 π 0 = 2 α 3 p ∗ 9 | a 0 − a 2 | 2 m π + 2 ( 1 + δ ) {\displaystyle \Gamma _{A_{2\pi }\to \pi ^{0}\pi ^{0}}={\frac {2\alpha ^{3}p^{*}}{9}}|a_{0}-a_{2}|^{2}m_{\pi ^{+}}^{2}(1+\delta )} と表される。ここで、αは微細構造定数、p*はパイオニウム静止系におけるπ0の運動量、a0とa2はアイソスピン0と2におけるS波のππ散乱長、mπ+はπ+の質量、δはQEDとQCDによる補正項であり、δ＝(5.8±1.2)×10-2の値が知られている。 上式中の散乱長は、カイラル摂動論を用いて誤差1.5%という高い精度で予言でき、 | a 0 − a 2 | t h e o r y = ( 0.265 ± 0.004 ) × m π − 1 {\displaystyle |a_{0}-a_{2}|_{\mathrm {theory} }=(0.265\pm 0.004)\times {m_{\pi }}^{-1}} と求まる。この値を用いると、パイオニウムの平均寿命の理論値はτ＝(2.90±0.10)×10-15秒となる。 このように、もしパイオニウムの平均寿命が実験で精密に測定できれば、量子色力学の低エネルギー有効理論としてのカイラル摂動論の検証に役に立つ。 一例として、2011年にDIRAC実験から報告された結果では、21227個のサンプルによって得られた平均寿命と、そこから換算されたS波のππ散乱長の差は τ e x p . = ( 3.15 − 0.19 + 0.20 | s t a t − 0.18 + 0.20 | s y s t ) × 10 − 15 s {\displaystyle \tau _{\mathrm {exp.} }=(\left.3.15_{-0.19}^{+0.20}\right|_{\mathrm {stat} }\left.^{+0.20}_{-0.18}\right|_{\mathrm {syst} })\times 10^{-15}\mathrm {s} } | a 0 − a 2 | e x p . = ( 0.2533 − 0.0078 + 0.0080 | s t a t − 0.0073 + 0.0078 | s y s t ) × m π − 1 {\displaystyle |a_{0}-a_{2}|_{\mathrm {exp.} }=(\left.0.2533_{-0.0078}^{+0.0080}\right|_{\mathrm {stat} }\left.^{+0.0078}_{-0.0073}\right|_{\mathrm {syst} })\times {m_{\pi }}^{-1}} となる。この実験結果は、パイオニウム基底状態の平均寿命に対して9%、ππ散乱長に対しては4%の誤差を持つ精度である。 ^ Zhabitsky, M.; et al. (DIRAC Collaboration) (2008年). “Measurement of the pionium lifetime”. arXiv:0809.4963.  ^ a b Adeva, B.; et al. (2011年). “Determination of ππ scattering lengths from measurement of π+π− atom lifetime”. Physics Letters B 704 (1–2): 24-29. arXiv:1109.0569. doi:10.1016/j.physletb.2011.08.074.  ^ Batley, J. R.; et al. (NA48/2 Collaboration) (2005年). “Observation of a cusp-like structure in the π0π0 invariant mass distribution from K± → π±π0π0 decay and determination of the ππ scattering lengths”. Physics Letters B 633 (2–3): 173–182. arXiv:hep-ex/0511056. Bibcode 2006PhLB..633..173N. doi:10.1016/j.physletb.2005.11.087.  ^ Gasser, J.; Lyubovitskij, V.E.; Rusetsky, A.; Gall, A. (2005年). “Decays of the π+ π- atom”. Physical Review D 64 (1): 016008. arXiv:hep-ph/0103157. Bibcode 2001PhRvD..64a6008G. doi:10.1103/PhysRevD.64.016008.  ^ Colangelo, G.; Gasser, J.; Leutwyler, H. (2001年). “ππ scattering”. Nuclear Physics B 603 (1–2): 125-179. arXiv:hep-ph/0103088. doi:10.1016/S0550-3213(01)00147-X.  レビュー論文 Gasser, J.; Lyubovitskij, V.E.; Rusetsky, A. (2008年). “Hadronic atoms in QCD + QED”. Physics Reports 456 (5-6): 167-251. arXiv:0711.3522. doi:10.1016/j.physrep.2007.09.006.  Gasser, J.; Lyubovitskij, V.E.; Rusetsky, A. (2009年). “Hadronic Atoms”. Annual Review of Nuclear and Particle Science 59: 169-190. arXiv:0903.0257. Bibcode 2009ARNPS..59..169G. doi:10.1146/annurev.nucl.010909.083806.  オニウム “Collaboration DIRAC”. 2012年7月1日閲覧。 - DIRAC実験の公式サイト