パイオニウムのソースを表示

'''パイオニウム'''（{{Lang-en-short|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<sup>-15</sup>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<sup>0</sup>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%<ref>
{{cite arXiv
 |last1=Zhabitsky |first1=M.
 |display-authors=etal
 |title=Measurement of the pionium lifetime
 |year=2008
 |arxiv=0809.4963
}}</ref>、[[2011年]]に9%程度<ref name="1109.0569">
{{cite journal
 |last1=Adeva |first1=B.
 |coauthors=''et al.''
 |title=Determination of ππ scattering lengths from measurement of π<sup>+</sup>π<sup>−</sup> atom lifetime
 |year=2011
 |journal=Physics Letters B
 |volume=704 |issue=1–2 |pages=24-29
 |doi=10.1016/j.physletb.2011.08.074
 |arxiv=1109.0569
}}</ref>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<sup>±</sup>→π<sup>±</sup>π<sup>0</sup>π<sup>0</sup>）について調べられた<ref name="hep-ex/0511056">
{{cite journal
 |last1=Batley|first1=J. R.
 |coauthors=''et al.'' (NA48/2 Collaboration)
 |title=Observation of a cusp-like structure in the ''π''<sup>0</sup>''π''<sup>0</sup> invariant mass distribution from ''K''<sup>±</sup>&nbsp;→&nbsp;''π''<sup>±</sup>''π''<sup>0</sup>''π''<sup>0</sup> decay and determination of the ππ scattering lengths
 |year=2005
 |journal=Physics Letters B
 |volume=633 |issue=2–3 |pages=173–182
 |arxiv=hep-ex/0511056
 |bibcode=2006PhLB..633..173N
 |doi=10.1016/j.physletb.2005.11.087
}}</ref>。

==実験の目的==
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[[粒子崩壊|崩壊幅]]として表されるが、パイオニウムのπ<sup>0</sup>π<sup>0</sup>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A<sub>2π</sub>の[[基底状態]]について、平均寿命τと崩壊幅Γは
:<math>\tau^{-1}_{A_{2\pi}} = \Gamma_{A_{2\pi} \to \gamma \gamma} + \Gamma_{A_{2\pi} \to \pi^0 \pi^0}</math>
:<math>\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)</math>
と表される。ここで、αは[[微細構造定数]]、p<sup>*</sup>はパイオニウム静止系におけるπ<sup>0</sup>の運動量、a<sub>0</sub>とa<sub>2</sub>は[[アイソスピン]]0と2におけるS波のππ散乱長、m<sub>π<sup>+</sup></sub>はπ<sup>+</sup>の質量、δは[[量子電磁力学|QED]]と[[量子色力学|QCD]]による補正項であり、δ＝(5.8±1.2)×10<sup>-2</sup>の値<ref>
{{cite journal
 |last1=Gasser |first1=J.
 |last2=Lyubovitskij |first2=V.E.
 |last3=Rusetsky |first3=A.
 |last4=Gall |first4=A.
 |title=Decays of the π<sup>+</sup> π<sup>-</sup> atom
 |year=2005
 |journal=[[Physical Review D]]
 |volume=64 |issue=1 |pages=016008
 |arxiv=hep-ph/0103157
 |bibcode=2001PhRvD..64a6008G
 |doi=10.1103/PhysRevD.64.016008
}}</ref>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、
:<math>|a_0-a_2|_\mathrm{theory}=(0.265 \pm 0.004) \times {m_\pi}^{-1}</math>
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<sup>-15</sup>秒となる<ref>
{{cite journal
 |last1=Colangelo |first1=G.
 |last2=Gasser |first2=J.
 |last3=Leutwyler |first3=H.
 |title=ππ scattering
 |year=2001
 |journal=Nuclear Physics B
 |volume=603 |issue=1–2 |pages=125-179
 |doi=10.1016/S0550-3213(01)00147-X
 |arxiv=hep-ph/0103088
}}</ref>。

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
:<math>\tau_\mathrm{exp.}=(\left. 3.15^{+0.20}_{-0.19}\right|_\mathrm{stat} \left. ^{+0.20}_{-0.18}\right|_\mathrm{syst} ) \times 10^{-15} \mathrm{s}</math>
:<math>|a_0-a_2|_\mathrm{exp.}=(\left. 0.2533^{+0.0080}_{-0.0078}\right|_\mathrm{stat} \left. ^{+0.0078}_{-0.0073}\right|_\mathrm{syst} ) \times {m_\pi}^{-1}</math>
となる<ref name="1109.0569" />。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。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
;レビュー論文
*{{cite journal
 |last1=Gasser |first1=J.
 |last2=Lyubovitskij |first2=V.E.
 |last3=Rusetsky |first3=A.
 |title=Hadronic atoms in QCD + QED
 |year=2008
 |journal=Physics Reports
 |volume=456 |issue=5-6 |pages=167-251
 |arxiv=0711.3522
 |doi=10.1016/j.physrep.2007.09.006
}}
*{{cite journal
 |last1=Gasser |first1=J.
 |last2=Lyubovitskij |first2=V.E.
 |last3=Rusetsky |first3=A.
 |title=Hadronic Atoms
 |year=2009
 |journal=Annual Review of Nuclear and Particle Science
 |volume=59 |issue= |pages=169-190
 |arxiv=0903.0257
 |bibcode=2009ARNPS..59..169G
 |doi=10.1146/annurev.nucl.010909.083806
}}

== 関連項目 ==
* [[オニウム]]
*[[プロトニウム]] 

==外部リンク==
*{{cite web
|url=http://dirac.web.cern.ch/DIRAC/
|title=Collaboration DIRAC
|format=
|work=
|accessdate=2012-07-01
}} - DIRAC実験の公式サイト

{{粒子の一覧}}

{{デフォルトソート:はいおにうむ}}
[[Category:異種原子]]
[[Category:オニウム]]