Pioni (π-mesoni) — kvarkkipari, varaus ja rooli ydinfysiikassa
Pioni eli π-mesoni on mesoni, joka on subatominen hiukkanen ja koostuu yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista. Pionit muodostavat kvarkki-antkvarkki -pareja ja kuuluvat kevyimpiin hadroneihin.
Kvarkkiparit ja varaus
Kvarkkeja on kuusi eri tyyppiä (ns. flavorit), mutta pioneissa esiintyvät pääasiassa ylös- ja alas-kvarkit. Pionien kolmikko muodostuu näin:
- π+ ≈ ylös + anti-alas (u + d̄)
- π- ≈ alas + anti-ylös (d + ū)
- π0 ≈ yhdistelmä ylös–anti-ylös ja alas–anti-alas (suuri osa kuvailee sen kvanttitilaa superpositiona)
Koska kvarkeilla on sähköinen varaus, eri kvarkkikoostumukset antavat pioneille niiden tunnusomaiset varaukset: positiivinen, negatiivinen tai neutraali (neutraalin pionin tapaus). Pioneilla on myös isospin-kolmiomuoto (π+, π0, π-), joka liittyy ylös- ja alaskvarkkien symmetriaan.
Elinikä ja hajoaminen
Pioneja syntyy usein korkeaenergiaisissa törmäyksissä ja kosmisessa säteilyssä, mutta ne eivät pysy olemassa pitkään. Varatut pionit elävät keskimäärin noin 26 nanosekuntia (π± ≈ 2,603×10^−8 s). Leptoneiksi hajoavista kanavista yleisin on charged-pionin hajoaminen muoniin ja neutriinomuoniin (π+ → μ+ + νμ), joka kattaa suurimman osan hajoamisista. Elektronisiin kanaviin hajoaminen on paljon harvinaisempaa johtuen heikon vuorovaikutuksen ja kinematiikan aiheuttamasta supressiosta.
Neutraalin pionin (π0) elinaika on huomattavasti lyhyempi (noin 8,5×10^−17 s) ja sen yleisin hajoamistapa on elektromagneettinen hajoaminen kahdeksi fotoniksi (π0 → 2γ). Tästä syystä π0 hajoaa käytännössä välittömästi syntyessään verrattuna π±:iin.
Massa, spin ja kvanttiluvut
Pionit ovat kevyitä hadroneja: π± massa on noin 139,57 MeV/c^2 ja π0 massa noin 134,98 MeV/c^2. Ne ovat pseudoskalaareja, eli niillä on kokonaisspin J = 0 ja pariteetti J^P = 0−. Pioneja pidetään myös ns. pseudo-Goldstonen hiukkasina, jotka liittyvät kvarkkien chiraalisen symmetrian spontaaniin rikkoutumiseen kvarkkiglukoni-dynamiikassa (QCD).
Rooli ydinfysiikassa ja vahvassa vuorovaikutuksessa
Pioneilla on keskeinen rooli atomiytimen sisäisissä vuorovaikutuksissa. Alkuperäisessä Yukawan teoriassa pioni ehdotettiin kantajaksi lyhyen kantaman voimille, jotka sitovat aineen protonien ja neutronien kaltaisia nukleoneja yhteen — nämä vahvan voiman vuorovaikutukset ovat vastuussa siitä, että ytimet pysyvät koossa. Nykyään tiedetään, että varsinainen fundamentaalinen vuorovaikutus on kvanttiväridynamiikka (QCD), jossa gluonit sitovat kvarkkeja. Pioneja sen sijaan pidetään residuaalisena tai välillisenä voiman välittäjinä nukleonien välillä ja ne kuvaavat matalaenergistä, havaittavaa ilmiötä QCD:stä.
Tuotanto ja havaitseminen
Pioneja tuotetaan helposti hiukkastörmäyksissä (esim. kiihdyttimissä), kosmisessa säteilyssä ja ydinreaktioissa. Charged-pionien läsnäolo havaitaan usein niiden hajoamistuotteiden — erityisesti muonien — avulla, kun taas neutraali pionin olemassaolo todetaan tyypillisesti syntyvillä fotoneilla (γγ-pari) detektoreissa.
Yhteenveto
Pionit ovat yksinkertaisimpia mesoneja: ne koostuvat kvarkista ja antikvarkista, niillä on kolme latausmuotoa (π+, π0, π-) ja ne ovat tärkeitä atomiydinten välisen vahvan vuorovaikutuksen ymmärtämisessä. Vaikka fundamentaalinen voimien kuvaus tapahtuu QCD:n tasolla, pionit selittävät monia matalaenergian ilmiöitä ja ovat siksi ydinfysiikan ja hiukkasfysiikan keskeisiä tutkittavia hiukkasia.
Yksi up-kvarkki (u) ja yksi down-antikvarkki ovat yksi yhdistelmä, joka muodostaa pionin.
Kolme pionityyppiä
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.
Voiman kantajat
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.
Pionien hajoaminen
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.
| |||||||||||||
| Komposiitti |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on pion?
A: Pioni on mesoni, joka on subatominen hiukkanen, joka koostuu yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista.
K: Kuinka monta erilaista kvarkkia on olemassa?
V: Kvarkkeja on kuutta eri tyyppiä (ns. makuja).
K: Mitkä kaksi flavoria muodostavat yhdessä pionin?
V: Kahta makua, jotka muodostavat yhdessä pionin, kutsutaan ylös- ja alaspäin suuntautuviksi.
K: Riippuuko pionin varaus siitä, minkä tyyppisiä kvarkkeja se sisältää?
V: Kyllä, pionin varaus riippuu sen sisältämien kvarkkien tyypistä. Kun kahdella kvarkilla on eri maku (ylös ja alas), pionilla on varaus. Tämä varaus on positiivinen, kun up-kvarkki muodostaa parin down-antiquarkin kanssa, ja negatiivinen, kun down-kvarkki muodostaa parin up-antiquarkin kanssa.
Kysymys: Kuinka kauan varatut pionit ovat olemassa?
V: Varautuneita pioneja on olemassa keskimäärin noin 26 nanosekuntia. Neutraalit pionit kestävät vain pienen osan tästä ajasta.
K: Miksi pionit ovat merkittäviä elämämme kannalta?
V: Pioneilla on merkitystä elämällemme, koska ne ovat yksi tavallisessa aineessa esiintyvien protonien ja neutronien kaltaisten nukleonien, jotka pitävät ytimen koossa, välisiä vahvan voiman vuorovaikutuksia.
K: Mikä tekee varatuista tai neutraaleista mesoneista pisimmän keskimääräisen elinajan?
V: Varatut tai neutraalit mesonit, joilla on pisin keskimääräinen elinikä, koostuvat positiivisesti tai negatiivisesti varatuista hiukkasista, joita kutsutaan hadroneiksi (kvarkkien muodostamat hiukkaset).
