Pion (cząstka)

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

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

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

Charakterystyka:

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

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

$m=134,9766\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}/c^2$

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

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

${\pi }^{+}=u\overline{d}$

${\pi }^{-}=d\overline{u}$

$m=139,57018\pm 0,00035\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}/c^2$

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

Gdzie:

$m$ – masa spoczynkowa cząstki

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

Rozpad

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

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

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

ale też np.

• ${\pi }^{\mathrm{+}}\to e^{\mathrm{+}}+{\nu }_e$ (z prawdopodobieństwem ok. 1,2Szablon:E)
• ${\pi }^{\mathrm{+}}\to {\mu }^{\mathrm{+}}+{\nu }_{\mu }+\gamma$ (z prawdopodobieństwem ok. 2,0Szablon:E)
• ${\pi }^{\mathrm{+}}\to e^{\mathrm{+}}+{\nu }_e+\gamma$ (z prawdopodobieństwem ok. 1,6Szablon:E)

Ujemne piony rozpadają się analogicznie, np.

• ${\pi }^{\mathrm{-}}\to {\mu }^{\mathrm{-}}+{\overline{\nu }}_{\mu }$.

Przyczyna rozpadu pionu głównie na miony, a nie elektrony, jest związana z mniejszą różnicą mas i rosnącą z masą różnicą między Szablon:Link-interwiki a skrętnością.

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

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

niekiedy (ok. 1,2%)

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

Historia

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

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:

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

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

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

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

Badania

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

Bibliografia

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