Pion (π‑meson) – definition, egenskaper och roll i starka växelverkningar
Lär dig om pioner (π‑mesoner): deras kvarkstruktur, laddningar, korta livslängd och avgörande roll i starka växelverkningar som håller atomkärnor samman.
Pion eller π-meson är en meson — en typ av subatomär partikel som består av en kvark och en antikvark. Pionerna utgör det lättaste sätet av hadroner och bildar en isospin-triplet bestående av en positiv, en negativ och en neutral partikel: π+, π− och π0.
Kvarkinnehåll och laddning
Pionernas kvarkinnehåll kan skrivas som:
- π+ = up kvark + antikvark av down (u anti-d)
- π− = down kvark + antikvark av up (d anti-u)
- π0 är huvudsakligen en kvantmekanisk blandning av u anti-u och d anti-d (ungefär (u anti-u − d anti-d)/√2)
Eftersom kvarkar har olika elektrisk laddning ger kombinationerna ovan pioner med positiv, negativ respektive neutral total laddning.
Egenskaper
- Spinn och paritet: Pioner är pseudoskalära partiklar med total spinn J = 0 och paritet J^P = 0−.
- Massor: Pionerna är de lättaste mesonerna. De ungefärliga massorna är m(π±) ≈ 139,6 MeV/c² och m(π0) ≈ 135,0 MeV/c².
- Isospin: Pionerna bildar ett isospin-triplet (I = 1) med tre komponenter π+, π0, π−.
- Medellivslängd: Pioner är instabila. Laddade pioner (π±) lever i genomsnitt cirka 2,6 × 10−8 s (≈ 26 nanosekunder), medan neutrala pioner (π0) sönderfaller mycket snabbare, med livstid av storleksordningen 10−16–10−17 s.
Sönderfall och vanliga sönderfallskanaler
De viktigaste sönderfallen är:
- π± → μ± + νμ (huvudsakligt sönderfall, ≈ 99.99 %) — pionerna sönderfaller i första hand till en muon och en muonneutrino. Ett mycket sällsyntare elektron-sönderfall π± → e± + νe (kallas pi→eν) sker med ett litet branchingkvot (~1.2×10−4) på grund av helicitetsundertryck.
- π0 → γ + γ (dominerande kanal, ≈ 98.8 %) — neutrala pioner sönderfaller främst elektromagnetiskt till två fotoner. Det finns även mycket sällsynta interna konversionskanaler som ger elektron–positronpar.
Roll i starka växelverkningar och nukleär fysik
Pioner spelar en central roll i den residuala delen av den starka kraftinteraktion mellan nukleoner (protoner och neutroner). I modern förståelse fungerar pionutbyte som den kortväga utbytesskapsmekanismen som ger upphov till den attraktiva kraft som binder samman kärnan.
Historiskt förutspåddes utbytandet av en massiv partikel (pionen) av Yukawa för att förklara det korta räckvidden hos den nukleära kraften; detta leder till den så kallade Yukawapotentialen som beskriver hur kraften dämpas med avstånd.
Teoretisk betydelse
I kvantkromodinamin (QCD) ses pioner också som pseudo-Goldstone-bosoner förknippade med den spontana brytningen av den approximativa chiral symmetrin i den starka växelverkan. Deras relativt låga massa och speciella egenskaper gör dem viktiga för studier av icke-perturbativ QCD, hadronstruktur och kärninteraktioner.
Förekomst och produktion
Pioner produceras lätt i högaenergikollisioner (t.ex. i partikelacceleratorer) och i kosmisk strålning. De uppträder också som mellanprodukter i många kärnreaktioner och i sönderfallskedjor för tyngre hadroner.
Sammanfattning
Pioner är fundamentala för både den experimentella och teoretiska kärnfysiken: de binder nukleoner i atomkärnor genom residuala starka krafter, fungerar som de lättaste mesonerna och bär viktiga tecken på den underliggande symmetrin och dynamiken i QCD. Deras tydliga sönderfallsmönster och relativt välbestämda egenskaper gör dem också till användbara verktyg i både partikel- och astrofysik.
En uppåtriktad kvark (u) och en nedåtriktad antikvark är en kombination för att skapa en pion.
Tre typer av pioner
De tre typerna av pioner har den grekiska bokstaven pi i sina symboler:
π+ för den positivt laddade pionen
π– för den negativt laddade pionen, och
π0 för den neutrala pionen.
(Överskrift)+ ,– eller0 hänvisar helt enkelt till pionens (elektromagnetiska) laddning.
Uppåtriktade kvarkar har en laddning på +2 ⁄3 och nedåtriktade antikvarkar har en laddning på +1 ⁄3 , så π+ har en laddning på +1 (som en proton).
Antipartiklar har en laddning som är motsatt till deras partiklar, så uppåtriktade antikvarkar har en laddning på -2 ⁄3 och nedåtriktade kvarkar har en laddning på -1 ⁄3 . Detta innebär att π− har laddningen -1 (som en elektron).
Eftersom π0 parar ihop kvarkar av samma smak med deras antikvarkar, lämnar både uppåtriktade kvarkar (+2 ⁄3 ) parat med uppåtriktade antikvarkar (-2 ⁄3 ) och nedåtriktade kvarkar (+1 ⁄3 ) parat med nedåtriktade antikvarkar (-1 ⁄3 ) den med noll laddning (som en neutron).
Kvarkar och antikvarkar har också en annan typ av laddning som kallas färg, som inte har något samband med den elektromagnetiska laddningen. Detta kommer från den starka växelverkan som håller ihop kvarkarna. Liksom i alla mesoner måste färgladdningarna i en pion vara lika stora och motsatta: blått med antiblått, grönt med antigrönt eller rött med antirött. Effekten av dessa färg-anticolor-parningar är att pionens färgladdning är färglös (som en neutron är neutral). På de minsta avstånden, vanligtvis inom en atomkärna, finns en liten effekt av färgladdningen kvar och fungerar som kärnkraften som håller ihop kärnan. Inom kärnan utbyts alltså virtuella pioner (och andra virtuella mesoner) mellan nukleoner (protoner och neutroner) och drar ihop dem.
Antikvarkar är antimateria, så de kommer att annihilera en kvark av samma smak som är tillräckligt nära. Detta innebär att kvarken och antikvarken omvandlar varandra till energi.
Kraftbärare
Kraftbärare är partiklar som är ansvariga för krafternas verkan, t.ex. elektromagnetism. Precis som fotoner är ansvariga för den elektromagnetiska kraften, är mesoner ansvariga för en del av den starkare kraftinteraktion med lägre energi (resterande) som sker mellan nukleoner. (Stark kraft kallas också kärnkraft eller resterande stark kraft när dess verkan sker mellan nukleoner). På en ännu mindre nivå är gluoner ansvariga för den starka kraftinteraktionen mellan kvarkar.
Pion-fall
Vid sönderfall av laddade pioner uppstår alltid leptoner, som elektroner.
π+ sönderfaller nästan alltid till en myon och en myonantineutrino.
π– sönderfaller nästan alltid till en antimuon och en muonneutrino.
En neutral pion, π0 , sönderfaller vanligtvis i två högt energirika fotoner.
Andra former av pionförfall
Det finns dock en viss sannolikhet (från <0,1 % till 1,2 %) för att vissa pioner ska sönderfalla, eftersom de också kan sönderfalla i olika former. För π+ är den näst mest sannolika sönderfallsprodukten en positron (en antielektron) och en elektronneutrino. π– sönderfaller ibland till en elektron och en elektronantineutrino. π0 sönderfaller ibland till en högt energirik foton, en elektron och en positron. (Tänk på att positroner och elektroner kan annihilera varandra, och denna annihilation ger upphov till högt energirika fotoner).
Nedbrytning på grund av svag kraft
Eftersom pionernas sönderfall beror på den svaga kraften införs ytterligare en kraftbärare. Under sönderfallet skapas en W+ boson som varar i 3x10−25 sekunder. Efter denna otroligt korta tid kommer W+ -bosonen att sönderfalla till de leptoner som pionen naturligt skulle sönderfalla till. Det är dock viktigt att göra denna distinktion, eftersom den innefattar den svaga kraften.
| |||||||||||||
| Komposit |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Frågor och svar
F: Vad är en pion?
S: En pion är en meson, en subatomär partikel som består av en kvark och en antikvark.
F: Hur många typer av kvarkar finns det?
S: Det finns sex typer av kvarkar (så kallade flavours).
F: Vilka två smaker går ihop för att bilda en pion?
S: De två smaker som tillsammans bildar en pion kallas up och down.
F: Beror pionens laddning på vilken typ av kvarkar den innehåller?
S: Ja, pionens laddning beror på vilken typ av kvarkar den innehåller. När två kvarkar har olika smak (uppåt och nedåt) kommer pionen att ha en laddning. Denna laddning är positiv när en upp-kvark parar sig med en ned-antikvark och negativ när en ned-kvark parar sig med en upp-antikvark.
F: Hur länge existerar laddade pioner?
S: Laddade pioner existerar i genomsnitt i cirka 26 nanosekunder. Neutrala pioner existerar endast under en liten del av denna tid.
F: Varför har pioner betydelse för våra liv?
S: Pioner är viktiga för våra liv eftersom de är ett av sätten för stark kraftinteraktion att äga rum mellan nukleoner som protoner och neutroner i vanlig materia, vilket håller ihop kärnan.
F: Vad gör att laddade eller neutrala mesoner har den längsta medellivslängden?
S: Laddade eller neutrala mesoner med längst medellivslängd är de som består av positivt eller negativt laddade partiklar som kallas hadroner (partiklar som består av kvarkar).
Sök