Pioni (fysiikka)

Pionit eli ${\displaystyle \pi }$-mesonit ovat mesoneihin kuuluvia hiukkasia. Pioneita on kolme erilaista, jotka eroavat toisistaan sähkövarauksen osalta, ja niitä kuvaavat symbolit ovat π⁰, π⁺ ja π⁻. Ne ovat mesoneista keveimpiä ja niillä ennustetaankin olevan suuri vahvan vuorovaikutuksen vaikutusala. ^[2]

Pioni
Symboli	π0, π+ ja π−
Rakenne	π0: (dd+uu)/√2 π+: ud π−: ud
Perhe	Bosoni
Ryhmä	Mesoni
Vuorovaikutus	Vahva vuorovaikutus
Löydetty teoreettisesti	1935, Hideki Yukawa
Löydetty	1947, Cecil Powell
Massa	π0: 134,9766(6) MeV/c2 π±: 139,57018(35) MeV/c2 [1]
Elinaika	π0: (8,4 ± 0,6)ˑ10−17 s π±: (2,6033 ± 0,0005)ˑ10−18 s
Sähkövaraus	π0: 0 π±: ±e
Spin	0
Infobox OK

Pionit kuuluvat muiden mesonien tavoin hadroneihin. Nykyisen käsityksen mukaan pionit koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista.

Historia

Pionien olemassaolon ennusti japanilainen hiukkasfyysikko Hideki Yukawa vuonna 1935, jolloin hän esitti idean vahvaa vuorovaikutusta välittävästä hiukkasesta, jota nykyään kutsutaan pioniksi. ^{[3] [4]} Ensimmäinen kokeellinen todiste pionin olemassaolosta löydettiin, kun vuonna 1947 brittiläinen ydinfyysikko Cecil Powell Bristolin yliopistosta alaisineen suoritti korkeaenergisen kosmisen säteilyn tutkimusta ydinreaktion valokuvausmenetelmällä. ^[5] He havaitsivat π⁺- ja π⁻-pionit. Myöhemmin havaittiin π⁰-pionit hiukkaskiihdytinkokeissa.

Ominaisuudet

Rakenne

Koska pionit koostuvat kvarkeista, ne kuuluvat hadroneista muodostuvaan ”hiukkasperheeseen”. Pionit kuuluvat mesoneihin, sillä ne koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista, kun taas toinen hadronien ryhmä, baryonit, muodostuu kolmesta kvarkista. Pionien spinluku on nolla, joten ne kuuluvat myös bosoneihin.

Pionien hajoaminen

Feynmanin diagrammi esittää π⁺-pionin hajoamista heikkoa vuorovaikutusta välittävän W-bosonin avulla antimyoniksi ja myonin neutriinoksi.

Pionien elinaika on melko lyhyt, ja ne hajoavat nopeasti heikon vuorovaikutuksen johdosta muiksi hiukkasiksi. Yleisimmin pioni hajoaa myoniksi ja sen antineutriinoksi tai antimyoniksi ja myonin neutriinoksi. π⁺- ja π⁻-pionien säteilyä voidaan kuvata hajoamisyhtälöillä ^[6]

${\displaystyle \pi ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\vec {\nu }}_{\mu }}$

${\displaystyle \pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }}$,

missä ${\displaystyle \scriptstyle \mu }$ on myoni, ${\displaystyle \scriptstyle \mu ^{+}}$antimyoni, ${\displaystyle \scriptstyle \nu _{\mu }}$ myonin neutriino ja ${\displaystyle \scriptstyle {\vec {\nu }}_{\mu }}$ myonin antineutriino.

Harvinaisempi hajoamismoodi π⁺- ja π⁻-pioneille on hajoaminen elektroniksi ja tämän antineutriinoksi tai positroniksi ja elektronin neutriinoksi. Tällaista hajoamista kuvataan yhtälöillä

${\displaystyle \pi ^{-}\rightarrow e^{-}+{\vec {\nu }}_{e}}$

${\displaystyle \pi ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}}$,

missä ${\displaystyle \scriptstyle e}$ on elektorni, ${\displaystyle \scriptstyle e^{+}}$ positroni, ${\displaystyle \scriptstyle \nu _{e}}$ elektronin neutriino ja ${\displaystyle \scriptstyle {\vec {\nu }}_{e}}$ elektronin antineutriino.

Neutraali pioni π⁰ hajoaa muiksi hiukkasiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia. Yleisin neutraalin pionin hajoamismoodi on siroaminen kahdeksi fotoniksi ^[1]

${\displaystyle \pi ^{0}\rightarrow \gamma +\gamma }$,

missä ${\displaystyle \gamma }$ on fotoni.

Harvinaisempi neutraalin pionin hajoamismoodi on säteily elektroniksi, positroniksi ja fotoniksi:

${\displaystyle \pi ^{0}\rightarrow e^{-}+e^{+}+\gamma }$.

Lähteet

1. Particle Data Group – Mesons (pdf) pdg.lbl.gov. (englanniksi)
2. HyperPhysics – pion (html) hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. (englanniksi)
3. Science Encyclopedia – Subatomic Particles (html) (Kappale "Pion, muons, and kaons") science.jrank.org. (englanniksi)
4. University of Surrey, Department of Physics – Mesons (html) ph.surrey.ac.uk. Arkistoitu 21.1.2012. (englanniksi)
5. M. K. Sundaresan: ”1”, Handbook of Particle Physics. (Kappale "Pion Discovered") CRC Press, 2001. ISBN 0-8493-0215-3 (englanniksi)
6. David Griffths: ”1.5”, Introduction To Elementary Particles. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4 (englanniksi)

Alkeishiukkaset Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat kvarkit, leptonit ja bosonit
Fermionit	Kvarkit - ylöskvarkki (u) - ylös-antikvarkki (u) - alaskvarkki (d) - alas-antikvarkki (d) - lumokvarkki (c) - lumo-antikvarkki (c) - outokvarkki (s) - outo-antikvarkki (s) - huippukvarkki (t) - huippu-antikvarkki (t) - pohjakvarkki (b) - pohja-antikvarkki (b) Leptonit e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · ve  · ve · vμ  · vμ · vτ  · vτ
Bosonit	Mittabosonit γ · g · W± · Z Skalaaribosonit H0
Hypoteettiset	Superpartnerit Aksiino · Chargiino · Fotiino · Gluiino · Gravitiino · Higgsiino · Neutraliino · Sfermionit Muut A0 · Dilatoni · G · m · Majoroni · Takyoni · W'  · Z' · X · Y · Steriili neutriino · Preoni
Yhdistelmähiukkaset
Hadronit	Baryonit N (p · n) Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Mesonit π · ρ · η · η′ · φ · ω · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T
Muut	Atomi · Atomiydin · Dikvarkki · Eksoottinen atomi (Positronium · Myonium · Tauonium) · Molekyyli · Pentakvarkki · Tetrakvarkki
Hiukkaslöytöjen aikajana

Hiukkaset fysiikassa