Pioni (π-mesoni) — kvarkkipari, varaus ja rooli ydinfysiikassa

Kolmen pionityypin symboleissa on kreikkalainen kirjain pi:

π⁺ positiivisesti varautuneen pionin osalta.

π^– negatiivisesti varautuneelle pionille ja

π⁰ neutraalille pionille.

(Ylinumero)⁺ ,^– tai⁰ viittaa yksinkertaisesti pionin (sähkömagneettiseen) varaukseen.

Up-kvarkkien varaus on +² ⁄₃ ja down-antikvarkkien varaus on +¹ ⁄₃ , joten π⁺ :n varaus on +1 (kuten protonin).

Antihiukkasilla on vastakkainen varaus kuin niiden hiukkasilla, joten ylöspäin suuntautuvien antikvarkkien varaus on -² ⁄₃ ja alaspäin suuntautuvien kvarkkien varaus on -¹ ⁄₃ . Tämä tarkoittaa, että π⁻ on varaukseltaan -1 (kuten elektroni).

Koska π⁰ muodostaa pareja samaa makua olevien kvarkkien ja niiden antikvarkkien välille, sekä ylöskvarkki (+² ⁄₃ ) parina ylösantikvarkin (-² ⁄₃ ) että alasantikvarkki (+¹ ⁄₃ ) parina alasantikvarkin (-¹ ⁄₃ ) kanssa jättävät siitä nollavaroituksen (kuten neutronista).

Kvarkkeilla ja antikvarkkeilla on myös erilainen varaus, jota kutsutaan väriksi ja joka ei liity sähkömagneettiseen varaukseen. Tämä johtuu vahvasta vuorovaikutuksesta, joka pitää kvarkit yhdessä. Kuten kaikissa mesoneissa, myös pionissa värivarausten on oltava yhtä suuret ja vastakkaiset: sininen ja anti-sininen, vihreä ja anti-vihreä tai punainen ja anti-punainen. Näiden väri-antiväriparien seurauksena pionin värivaraus on väritön (kuten neutroni on neutraali). Pienimmillä etäisyyksillä, tyypillisesti atomiytimen sisällä, värivarauksen pieni vaikutus säilyy ja toimii ydinvoimana, joka pitää ytimen kasassa. Ytimen sisällä virtuaaliset pionit (ja muut virtuaaliset mesonit) siis vaihtuvat nukleonien (protonien ja neutronien) välillä ja vetävät niitä yhteen.

Antikvarkit ovat antimateriaa, joten ne annihiloituvat riittävän lähellä olevan samanmakuisen kvarkin kanssa. Tämä tarkoittaa, että kvarkki ja antikvarkki muuttavat toisensa energiaksi.

Voimankantajat ovat hiukkasia, jotka ovat vastuussa voimien, kuten sähkömagnetismin, vaikutuksesta. Aivan kuten fotonit vastaavat sähkömagneettisesta voimasta, mesonit vastaavat joistakin nukleonien välisistä matalamman energian (jäännös) vahvavoimavuorovaikutuksista. (Vahvaa voimaa kutsutaan myös ydinvoimaksi tai jäännösvahvaksi voimaksi, kun sen toiminta tapahtuu nukleonien välillä). Vielä pienemmällä tasolla gluonit ovat vastuussa kvarkkien välisistä vahvan voiman vuorovaikutuksista.

Varattujen pionien hajoaminen tuottaa aina leptoneita, kuten elektroneja.

π⁺ hajoaa lähes aina yhdeksi muoniksi ja yhdeksi muoniantineutriinoksi.

π^– hajoaa lähes aina yhdeksi antimuoniksi ja yhdeksi muonineutriinoksi.

Neutraali pioni, π⁰ , hajoaa tavallisesti kahdeksi erittäin energiseksi fotoniksi.

Muut pionihajoamisen muodot

Joidenkin pionien hajoamiseen liittyy kuitenkin jonkin verran todennäköisyyttä (<0,1 % - 1,2 %), koska ne voivat myös hajota eri muodoissa. π⁺ toinen todennäköisin hajoamistuote on yksi positroni (antielektroni) ja yksi elektronineutriino. π^– hajoaa joskus yhdeksi elektroniksi ja yhdeksi elektronin antineutriinoksi. π⁰ hajoaa toisinaan yhdeksi erittäin energiseksi fotoniksi, yhdeksi elektroniksi ja yhdeksi positroniksi. (Muista, että positronit ja elektronit voivat annihiloitua keskenään, ja tämä annihilaatio tuottaa erittäin energisiä fotoneja).

Heikon voiman aiheuttama hajoaminen

Koska pionien hajoaminen johtuu heikosta voimasta, otetaan käyttöön vielä yksi voiman kantaja. Hajoamisen aikana syntyy W⁺ bosoni, joka kestää 3x10⁻²⁵ sekuntia. Tämän uskomattoman lyhyen ajan kuluttua W⁺ -bosoni hajoaa leptoneiksi, joihin pioni luonnollisesti hajoaisi. On kuitenkin tärkeää tehdä tämä ero, koska se sisältää heikon voiman.