Pion (π) — kvarkokból álló mezon: felépítés és szerep az erős kölcsönhatásban
Pion (π): kvark–antikvark mezon felépítése, típusai és szerepe az erős kölcsönhatásban — alapok, életciklus és a nukleonok közti erők érthetően.
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.
Egy up kvark (u) és egy down antikvark egy kombináció, hogy egy piont alkossanak.
A pionok három típusa
A pionoknak három típusa van: π+ , π– és π0 . A π fölött lévő +, - vagy 0 egyszerűen a pion töltésére utal. A π+ egy up kvarkból és egy down antiquarkból áll. π- egy down kvarkból és egy up antiquarkból áll. Mivel az antirészecskék töltése ellentétes, a π+ pozitív, mert egy up kvark töltése +2/3, egy down antiquarké pedig +1/3 (a normál down kvarkok töltése -1/3). A π– esetében a fordított állítás érvényes. π0 egy up kvarkkal és egy up antikvarkkal, vagy egy down kvarkkal és egy down antikvarkkal képezhető.
Erőhordozók
Az erőhordozók olyan részecskék, amelyek az erőkért, például az elektromágnesességért felelősek. Ahogy a fotonok felelősek az elektromágneses erőért, úgy a mezonok felelősek a nukleonok között fellépő alacsonyabb energiájú erős erő kölcsönhatások egy részéért. (Az erős erőt nukleáris erőnek is nevezik). Még kisebb szinten a gluonok feltehetően a kvarkok közötti erős erő kölcsönhatásokért felelősek. Mivel azonban a legkönnyebb kvarkokból (felfelé és lefelé) állnak, a pionok a legkönnyebb mezonok. Ez azt jelenti, hogy (a π0 kivételével) ezek egyben a leghosszabb életű mezonok közé tartoznak. Azonban, mint minden mezon, ezek is bomlanak, azaz szétesnek.
Pion bomlás
A pionok bomlása mindig leptonokat, például elektronokat eredményez. π+ általában egy müonra és egy müon neutrínóra bomlik. π– általában egy antimonra és egy antineutrínóra bomlik. A semleges pionok -π0 - általában két nagy energiájú fotonra bomlanak.
A pionbomlás egyéb formái
Ugyanakkor bizonyos valószínűséggel (<,1% és 1,2% között) egyes pionok bomlása is előfordulhat, mivel ezek is bomolhatnak különböző formákra. A π+ esetében a második legvalószínűbb bomlástermék egy pozitron (egy antielektron) és egy elektron neutrínó. A π– néha egy elektronra és egy elektron-antineutrínóra bomlik. A π0 néha egy nagy energiájú fotonra, egy elektronra és egy pozitronra bomlik. (Ne feledjük, hogy a pozitronok és az elektronok annihilálhatják egymást, és ez az annihiláció egy nagyenergiájú fotont eredményez).
A gyenge erő miatti bomlás
Mivel a pionok bomlása a gyenge erőnek köszönhető, egy újabb erőhordozó kerül bevezetésre. A bomlás során egy W+ bozon jön létre, amely 3x10−25 másodpercig tart. Ez után a hihetetlenül rövid idő után a W+ bozon olyan leptonokká bomlik, amilyenekre a pion természetes módon bomlana. Fontos azonban ezt a különbséget megtenni, mivel a gyenge erőt is magában foglalja.
| · v · t · e Részecskék a fizikában | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Összetett |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Kérdések és válaszok
K: Mi az a pion?
A: A pion egy mezon, amely egy kvarkból és egy antikvarkból álló szubatomi részecske.
K: Hányféle kvark létezik?
V: Hatféle kvark létezik (ezeket nevezzük ízeknek).
K: Melyik két flavor együtt alkot egy piont?
V: A két flavort, amelyek együttesen alkotnak egy piont, up-nak és down-nak nevezzük.
K: Függ-e a pion töltése a benne lévő kvarkok típusától?
V: Igen, a pion töltése a benne lévő kvarkok típusától függ. Ha két kvark különböző ízű (felfelé és lefelé), akkor a pionnak lesz töltése. Ez a töltés pozitív, amikor egy felfelé mutató kvark egy lefelé mutató antikvarkkal párosul, és negatív, amikor egy lefelé mutató kvark egy felfelé mutató antikvarkkal párosul.
K: Meddig léteznek töltött pionok?
V: A töltött pionok átlagosan 26 nanoszekundumig léteznek. A semleges pionok ennek az időnek csak egy parányi töredékéig léteznek.
K: Miért fontosak a pionok az életünk szempontjából?
V: A pionok azért fontosak az életünk szempontjából, mert az egyik módja annak, hogy a nukleonok, például a protonok és a neutronok között a hétköznapi anyagban az erős erő kölcsönhatása létrejöjjön, ami összetartja az atommagot.
K: Mi teszi a töltött vagy semleges mezonokat a leghosszabb átlagos élettartamúvá?
V: A leghosszabb átlagos élettartamú töltött vagy semleges mezonok azok, amelyeket a hadronoknak nevezett pozitív vagy negatív töltésű részecskék (kvarkokból álló részecskék) alkotnak.
Keres