A pionok (általában π-nek rövidítik) a mezonok csoportjába tartozó, kvarkok és antikvarkok kombinációjából felépülő szubatomi részecskék. A pionok a leghátrányosabb tömegű mezonok közé tartoznak, emiatt különösen fontos szerepük van a hadronok közötti kölcsönhatásokban.

Felépítés

A pionok három fajta állapotban léteznek, amelyek izospin-hármasát alkotják:

  • π+ = u (up) kvark + anti-d (anti-down) kvark
  • π− = d (down) kvark + anti-u (anti-up) kvark
  • π0 ≈ (u anti-u − d anti-d)/√2 — a semleges pion kvark–antikvark keveréke (a valóságban a π0-nek lehet kis keveredése más komponensekkel is)

Mivel egy kvark és a hozzá tartozó antikvark találkozása annihilációhoz vezethet, a mezonok nem stabilak; a pionok is csak rövid ideig léteznek, majd más részecskékké bomlanak.

Tulajdonságok és bomlások

A pionok spinje 0, paritásuk pseudoscalár jellegű (J^P = 0−). Fontos jellemzők (nagyjából):

  • tömeg: m(π±) ≈ 139,6 MeV/c², m(π0) ≈ 135,0 MeV/c²;
  • élettartam: a töltött pionoké τ ≈ 2.6×10^−8 s, a semleges pioné sokkal rövidebb, τ ≈ 8.5×10^−17 s;
  • főbb bomlások: a töltött pionok elsősorban muonra és neutrínóra bomlanak (π+ → μ+ νμ), míg a semleges pion leggyakrabban két fotonra bomlik (π0 → γγ).

A π0 gyors elektromágneses bomlása (két foton) magyarázza rövid életidejét, a töltött pionok pedig gyenge kölcsönhatás révén bomlanak, ezért élnek viszonylag tovább.

Szerep az erős kölcsönhatásban

A pionok történetileg és elméletileg is kulcsszerepet játszanak: Hideki Yukawa az 1930-as években azt javasolta, hogy a nukleonok (például protonok vagy neutronok) közötti kötőerőt a pionok cserefolyamatai közvetítik — ez az ún. Yukawa-közvetítés magyarázza a magi kötés hatótávolságát. Röviden: bár az erős kölcsönhatás alapvető részecskéi a gluonok és a kvantumkromodinamika (QCD) részecskéi, a pionok a nukleonok közötti maradék (residuális) erős erőt közvetítik.

A modern QCD szerint a pionok különösen érdekesek, mert a spontán chiralitásszimmetria megszakadásának közel-Goldstone-bozonjai: ezért tömegük kisebb, mint a többi hadroné, és kiemelkedő szerepük van a chiralitási dinamikában és az alacsony energiás hadronfizikában.

Előállítás és észlelés

Pionokat nagy energiájú részecskekollíziókban, például részecskegyorsítók ütközéseiben vagy kozmikus sugárzás kiváltotta légköri ütközésekben állítanak elő. Kísérleti észlelésük többnyire bomlási termékeiken keresztül történik (pl. detektált muonok, fotonok vagy elektromos töltés alapján). A pionok vizsgálata fontos a nukleáris kölcsönhatások, a gyenge kölcsönhatás és a QCD alacsony energia tartományának megértéséhez.

Összefoglalva: a pionok rövid életű mezonok, amelyek kvark–antikvark szerkezetükkel, kis tömegükkel és jellegzetes bomlásaikkal kiemelkedő szerepet játszanak a nukleonok közötti maradék erős kölcsönhatásban, és fontos vizsgálati tárgyat jelentenek az erős kölcsönhatás elméleti és kísérleti kutatásában.