Pion (π): definicija, lastnosti in vloga pri močni jedrski sili
Pion (π): definicija, lastnosti in vloga pri močni jedrski sili — razumljiv pregled mezonov, kvarkov, anihilacije in njihovega pomena za jedrske interakcije.
Pioni (običajno skrajšano π) so vrsta mezonov, torej subatomskih delcev, sestavljenih iz kombinacije kvarkov in antikvarkov. Ker so antikvarki antimaterija, lahko anihilirajo s kvarki istega okusa (flavour), če se jim približata; ta anihilacija pa ni takojšnja, zato mezoni, vključno s pioni, obstajajo le omejen čas. Pioni so posebej pomembni, ker predstavljajo najlažje mezone in igrajo ključno vlogo kot nosilci ostankov močne sile, ki deluje med nukleoni (protoni ali nevtroni).
Vrste pionov in kvarkna sestava
Pioni tvorijo izospinski triplet s tremi stanji:
- π+ (pozitiven pion): kvarkna sestava u d̄ (up kvark + anti-down kvark)
- π− (negativen pion): d ū (down kvark + anti-up kvark)
- π0 (nevtralen pion): približno mešanica u ū in d d̄ (kopija kvark–antikvark parov)
V kvantnem smislu so pioni psevdoskalarski mezoni (imenovani tudi 0−): spin je 0, ima pa negativen paritetni kvantni števil.
Mase, živi čas in glavni razpadi
- Masе: π± ≈ 139,57 MeV/c², π0 ≈ 134,98 MeV/c². Zaradi relativno nizke mase imajo pioni dolg doseg kot posredniki ostankovne močne sile.
- Življenjski čas: nabiti pioni (π±) imajo povprečen čas razpada približno 2,6×10⁻⁸ s; nevtralni pion (π0) razpade veliko hitreje, okoli 8,4×10⁻¹⁷ s.
- Glavni razpadi:
- π+ → µ+ + νµ (približno 99.99 % za π±) — preko šibke interakcije;
- π+ → e+ + νe (močno potisnjen, zelo redek zaradi helicitete in V−A strukture šibke interakcije);
- π0 → γ + γ (več kot 98 %) — elektromagnetni razpad preko anomije osične simetrije v kvantni teoriji polja.
Vloga pri močni jedrski sili
Japonski fizik Hideki Yukawa je v 1930-ih predlagal, da bi lahko rezidualno močno silo med nukleoni (ki drži jedro skupaj) posredovali izmenjavi te vrste mezonov. Masa pionov določa približni domet te sile: večja masa → krajši doseg. Tipičen razpon jedrske interakcije zaradi izmenjave pionov je reda velikosti ~1–2 femtometrov (fm), približno obrnjeno sorazmeren z maso π preko zveze ~ħ/(mπ c).
V sodobni teoriji (kvantna kromodinamika, QCD) so pioni razumljeni kot pseudo-Goldstoneovi bojoni, nastali zaradi spontano zlomljene kiralne simetrije. Kot posledica tega imajo pioni majhno maso v primerjavi z ostalimi hadroni in prevladujejo kot dolgi–dosežni del ostankovne močne sile. Teoretični opisi med drugim vključujejo enojno izmenjavo piona (one-pion exchange, OPE) ter zapletene večpionske in kratkodožne (večne gluonske) prispevke k jedrskemu potencialu.
Fizikalni pomen in odkritje
Pioni so bili napovedani teoretično in kasneje odkriti v eksperimentih s kozmičnim sevanjem in v pospeševalnikih. Njihova lastnost in razpadi so pomembni za razumevanje osnovnih simetrij, šibkih interakcij (npr. v testih leptonove univerzalnosti) in za modeliranje jedrskih sil v jedrski fiziki in astrofiziki (npr. v jedrih zvezd in v supernovah).
Proizvodnja in uporabe
- Pioni nastajajo v visokenergijskih trkih med protoni ali drugimi delci, v razpadih težjih hadronov in v interakcijah kozmičnih žarkov z atmosfero.
- V eksperimentalni fiziki se pioni uporabljajo kot sondni delci za preučevanje nuklearnih struktur, pi–N (pion–nukleon) sipanja pa daje vpogled v hadronsko dinamiko.
Skupaj so pioni osnovni gradniki razumevanja, kako se močna sila obnaša zunaj kvarkov in gluonov in kako se ta sila manifestira kot vezna sila med nukleoni v jedru.
En kvark navzgor (u) in en antikvark navzdol sta ena kombinacija za nastanek piona.
Tri vrste pionov
Obstajajo tri vrste pionov: π+ , π– in π0 . Oznaka +, - ali 0 nad π se preprosto nanaša na naboj piona. π+ so sestavljeni iz enega kvarka navzgor in enega antikvarka navzdol. π- so sestavljeni iz enega kvarka navzdol in enega antikvarka navzgor. Ker imajo antidelci nasprotni naboj, je π+ pozitiven, ker ima gornji kvark naboj +2/3, spodnji antikvark (običajni spodnji kvarki imajo naboj -1/3) pa ima naboj +1/3. Obratna trditev velja za π– . π0 lahko nastane iz enega kvarka gor in antikvarka gor ali enega kvarka dol in enega antikvarka dol.
Nosilci sil
Nosilci sil so delci, ki so odgovorni za sile, kot je elektromagnetizem. Tako kot naj bi bili fotoni odgovorni za elektromagnetno silo, naj bi bili mezoni odgovorni za nekatere manj energijske interakcije močne sile, ki potekajo med nukleoni. (Močna sila je znana tudi kot jedrska sila). Na še manjši ravni naj bi bili gluoni odgovorni za interakcije močne sile med kvarki. Ker pa so sestavljeni iz najlažjih kvarkov (gor in dol), so pioni najlažji mezoni. To pomeni, da so (z izjemo π0 ) tudi med najdlje živečimi mezoni. Kot vsi mezoni pa bodo sčasoma razpadli ali razpadli.
Razpad piona
Pri razpadu pionov vedno nastanejo leptoni, kot so elektroni. π+ običajno razpade na en mion in en mionski nevtrino. π– običajno razpade na en antimion in en mionski antinevtrino. Nevtralni pioni - π0 - običajno razpadejo na dva visokoenergijska fotona.
Druge oblike razpada pionov
Vendar pa obstaja določena verjetnost (od <,1 % do 1,2 %) za razpad nekaterih pionov, saj lahko razpadejo tudi v različne oblike. Za π+ je drugi najverjetnejši produkt razpada en pozitron (antielektron) in en elektronski nevtrino. π– včasih razpade na en elektron in en elektronski antinevtrino. π0 včasih razpade na en visokoenergijski foton, en elektron in en pozitron. (Ne pozabite, da lahko pozitroni in elektroni medsebojno anihilirajo, pri tej anihilaciji pa nastane visokoenergijski foton).
Razpad zaradi šibke sile
Ker je razpad pionov posledica šibke sile, se uvede še en nosilec sile. Med razpadom nastane bozon W +, ki traja 3x10−25 sekund. Po tem neverjetno kratkem času bo W+ bozon razpadel v leptone, v katere bi pion naravno razpadel. Vendar pa je to razlikovanje pomembno, saj vključuje šibko silo.
| · v · t · e Delci v fiziki | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Sestavljeni |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je pion?
O: Pion je mezon, ki je subatomski delec, sestavljen iz enega kvarka in enega antikvarka.
V: Koliko vrst kvarkov obstaja?
O: Obstaja šest vrst kvarkov (imenovanih okusi).
V: Katera dva okusa skupaj tvorita pion?
O: Dva okusa, ki skupaj tvorita pion, se imenujeta gor in dol.
V: Ali je naboj piona odvisen od vrste kvarkov, ki jih vsebuje?
O: Da, naboj piona je odvisen od vrste kvarkov, ki jih vsebuje. Če imata dva kvarka različna okusa (gor in dol), ima pion naboj. Ta naboj je pozitiven, kadar se kvark navzgor pari z antikvarkom navzdol, in negativen, kadar se kvark navzdol pari z antikvarkom navzgor.
V: Kako dolgo obstajajo nabiti pioni?
O: Nabiti pioni v povprečju obstajajo približno 26 nanosekund. Nevtralni pioni trajajo le majhen del tega časa.
V: Zakaj so pioni pomembni za naše življenje?
O: Pioni so pomembni za naše življenje, ker so eden od načinov, kako med nukleoni, kot so protoni in nevtroni v običajni snovi, potekajo interakcije močne sile, ki držijo jedro skupaj.
V: Zaradi česa imajo nabiti ali nevtralni mezoni najdaljšo srednjo življenjsko dobo?
O: Nabiti ali nevtralni mezoni z najdaljšo srednjo življenjsko dobo so tisti, ki jih sestavljajo pozitivno ali negativno nabiti delci, imenovani hadroni (delci, sestavljeni iz kvarkov).
Iskati