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π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→πππ)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ππ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。