Pion (cząstka)

Mezon ${\displaystyle \pi }$ (pion) – najlżejszy mezon, o zerowym spinie. Występuje w trzech postaciach ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {0} },\pi ^{\mathrm {+} },\pi ^{\mathrm {-} },}$ które razem z cząstkami K, η tworzą nonet.

Mezon ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }}$ (pion) złożony jest z kwarku ${\displaystyle u}$ i antykwarku ${\displaystyle {\bar {d}}}$

Diagram Feynmana rozpadu pionu ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }{:}}$ rozpad odbywa się w oddziaływaniach słabych prawie zawsze według schematu ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }\to \mu ^{\mathrm {+} }+\nu _{\mu }}$ (powstaje antymion i neutrino mionowe)

Charakterystyka:

• mezon ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {0} }}$ jest neutralny elektrycznie i jest sam dla siebie antycząstką

${\displaystyle \pi ^{0}={\tfrac {1}{\sqrt {2}}}(u{\bar {u}}-d{\bar {d}})}$ – mezon ten jest superpozycją kwarków ${\displaystyle u{\bar {u}}}$ z kwarkami ${\displaystyle d{\bar {d}}}$

${\displaystyle m=134,9766\mathrm {MeV} /c^{2}}$

${\displaystyle \tau =(8,4\pm 0,6)\times 10^{-17}\ \mathrm {s} }$ (krótki średni czas życia)

• mezony ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} },\pi ^{\mathrm {-} }}$ niosą ładunek elementarny ${\displaystyle \mathrm {+1} }$ oraz ${\displaystyle \mathrm {-1}$ ;} złożone są z kwarku i antykwarku pierwszej generacji i są dla siebie nawzajem antycząstkami

${\displaystyle \pi ^{+}=u{\bar {d}}}$

${\displaystyle \pi ^{-}=d{\bar {u}}}$

${\displaystyle m=139,57018\pm 0,00035\ \mathrm {MeV} /c^{2}}$

${\displaystyle \tau =(2,6033\pm 0,0005)\times 10^{-8}\ \mathrm {s} }$ (długi średni czas życia)

Gdzie:

${\displaystyle m}$ – masa spoczynkowa cząstki

${\displaystyle u,{\bar {u}}}$ – kwarki i antykwark górny (ang. up), ${\displaystyle d,{\bar {d}}}$ – kwark i antykwark dolny (ang. down)

Rozpad

Schemat rozpadu pionu ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {0} }}$ na fotony

Rozpad naładowanych mezonów ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} },\pi ^{\mathrm {-} }}$ odbywa się w oddziaływaniach słabych, z największym prawdopodobieństwem według schematu

• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }\to \mu ^{\mathrm {+} }+\nu _{\mu }}$(powstaje antymion i neutrino mionowe),

ale też np.

• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }\to e^{\mathrm {+} }+\nu _{e}}$ (z prawdopodobieństwem ok. 1,2×10⁻⁴)
• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }\to \mu ^{\mathrm {+} }+\nu _{\mu }+\gamma }$ (z prawdopodobieństwem ok. 2,0×10⁻⁴)
• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {+} }\to e^{\mathrm {+} }+\nu _{e}+\gamma }$ (z prawdopodobieństwem ok. 1,6×10⁻⁷)

Ujemne piony rozpadają się analogicznie, np.

• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {-} }\to \mu ^{\mathrm {-} }+{\bar {\nu }}_{\mu }}$^[1].

Przyczyna rozpadu pionu głównie na miony, a nie elektrony, jest związana z mniejszą różnicą mas i rosnącą z masą różnicą między chiralnością(inne języki) a skrętnością.

Natomiast rozpad obojętnego pionu – za pośrednictwem oddziaływań elektromagnetycznych – następuje najczęściej (ok. 98,8%) na fotony według schematu:

• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {0} }\to \gamma +\gamma ,}$

niekiedy (ok. 1,2%)

• ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {0} }\to e^{+}e^{-}}$ lub inaczej^[1].

Historia

Wymiana pionu ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {0} }}$

Po raz pierwszy mezony pi pojawiły się w teorii Hideki Yukawy oddziaływań wewnątrzjądrowych – za ich pomocą opisywał on oddziaływania międzynukleonowe (proton-neutron, proton-proton, neutron-neutron) jako wymianę mezonów π, zgodnie z reakcjami:

${\displaystyle n+\pi ^{\mathrm {+} }\to p}$

${\displaystyle p+\pi ^{\mathrm {-} }\to n}$

${\displaystyle n+\pi ^{\mathrm {0} }\to n}$ (zob. diagram obok)

${\displaystyle p+\pi ^{\mathrm {0} }\to p}$ (zob. diagram obok)

Badania

Najbardziej precyzyjną metodą wyznaczania masy mezonu ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {-} }}$ jest badanie promieniowania charakterystycznego atomów ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {-} }}$-mezonowych (mezoatomów ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {-} }}$ – atomów egzotycznych zawierających zamiast jednego elektronu mezon ${\displaystyle \pi ^{\mathrm {-} }}$).

Przypisy

1. mezony w PDG.

Bibliografia

• Dane pochodzą z biuletynu PDG
• David J. Griffiths, Introduction to Elementary particles, Cambridge University Press 2008

Zobacz hasło pion w Wikisłowniku

Kontrola autorytatywna (typ cząstki):

• LCCN: sh85102318
• GND: 4174718-5
• BNCF: 72513
• J9U: 987007550921505171

Encyklopedie internetowe:

• Britannica: science/pi-meson
• SNL: pi-meson
• DSDE: pion