Pion (cząstka)

Mezon π⁺ (pion) złożony jest z kwarku u i antykwarku d

Diagram Feynmana rozpadu pionu pi plus. Rozpad naładowanych mezonów π odbywa się w oddziaływaniach słabych, prawie zawsze według schematu π⁺ → μ⁺ν_μ (powstaje antymion i neutrino mionowe)

Mezon π (pion) – najlżejszy mezon, o zerowym spinie. Występuje w trzech odmianach π⁰, π⁺ i π⁻, które razem z cząstkami K, η tworzą nonet.

Charakterystyka:

• mezon π⁰ jest neutralny elektrycznie i jest sam dla siebie antycząstką

π⁰ = ${\displaystyle {\tfrac {1}{\sqrt {2}}}}$(uu − dd) – mezon ten jest superpozycją kwarków uu z kwarkami dd

m = 134,9766 MeV/c²

τ = (8,4 ±0,6)×10⁻¹⁷ s – krótki średni czas życia

• mezony π⁺ i π⁻ niosą ładunek elementarny +1 i −1; złożone są z kwarku i antykwarku pierwszej generacji i są dla siebie nawzajem antycząstkami

π⁺ = ud

π⁻ = du

m = 139,57018 ±0,00035 MeV/c²

τ = (2,6033 ±0,0005)×10⁻⁸ s – długi średni czas życia

Gdzie:

m – masa spoczynkowa cząstki

u, u – kwarki i antykwark górny (ang. up), d, d – kwark i antykwark dolny (ang. down)

Rozpad

Schemat rozpadu pionu obojętnego na fotony

Rozpad naładowanych mezonów π odbywa się w oddziaływaniach słabych, prawie zawsze według schematu π⁺ → μ⁺ν_μ (powstaje antymion i neutrino mionowe), ale też np.

• π⁺ → e⁺ν_e (z prawdopodobieństwem ok. 1,2×10⁻⁴)
• π⁺ → μ⁺ν_μγ (z prawdopodobieństwem ok. 2,0×10⁻⁴)
• π⁺ → e⁺ν_eγ (z prawdopodobieństwem ok. 1,6×10⁻⁷)

Ujemne piony rozpadają się analogicznie, np. π⁻ → μ⁻ν_μ^[1].

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

Natomiast rozpad obojętnego pionu – za pośrednictwem oddziaływań elektromagnetycznych – następuje najczęściej (ok. 98,8%) na fotony według schematu π⁰ → γγ, niekiedy (ok. 1,2%) π⁰ → e⁺e⁻ lub inaczej^[1].

Historia

Wymiana pionu zero

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 + π⁺ → p

p + π⁻ → n

n + π⁰ → n (zob. diagram obok)

p + π⁰ → p (zob. diagram obok)

Badania

Najbardziej precyzyjną metodą wyznaczania masy mezonu π⁻ jest badanie promieniowania charakterystycznego atomów π⁻-mezonowych (mezoatomów π⁻ – atomów egzotycznych zawierających zamiast jednego elektronu mezon π⁻).

Przypisy

Bibliografia

Dane pochodzą z biuletynu PDG.