Pion (cząstka)

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.

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

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)

Charakterystyka:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Gdzie:

$m$ – masa spoczynkowa cząstki

$u,{\bar {u}}$ – kwarki i antykwark górny (ang. up), $d,{\bar {d}}$ – 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. 1,2×10⁻⁴)
• $\pi ^{\mathrm {+} }\to \mu ^{\mathrm {+} }+\nu _{\mu }+\gamma$ (z prawdopodobieństwem ok. 2,0×10⁻⁴)
• $\pi ^{\mathrm {+} }\to e^{\mathrm {+} }+\nu _{e}+\gamma$ (z prawdopodobieństwem ok. 1,6×10⁻⁷)

Ujemne piony rozpadają się analogicznie, np.

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

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:

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

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