Pioni (fysiikka)

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Pioni
Quark structure pion.svg
Rakenne π0: (dd+uu)/√2
π+: ud
π: ud
Perhe Bosoni
Ryhmä Mesoni
Vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus
Löydetty teoreettisesti 1935, Hideki Yukawa
Löydetty 1947, Cecil Powell
Symboli π0, π+ ja π
Massa π0: 134,9766(6) MeV/c2
π±: 139,57018(35) MeV/c2 [1]
Elinaika π0: (8,4 ± 0,6)ˑ10−17 s
π±: (2,6033 ± 0,0005)ˑ10−18 s
Sähkövaraus π0: 0
π±: ±e
Spin 0

Pionit eli \pi-mesonit ovat mesoneihin kuuluvia hiukkasia. Pioneita on kolme erilaista, jotka eroavat toisistaan sähkövarauksen osalta, ja niitä kuvaavat symbolit ovat π0, π+ ja π. Ne ovat mesoneista keveimpiä ja niillä ennustetaankin olevan suuri vahvan vuorovaikutuksen vaikutusala. [2]

Pionit kuuluvat muiden mesonien tavoin hadroneihin. Nykyisen käsityksen mukaan pionit koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pionien olemassaolon ennusti japanilainen hiukkasfyysikko Hideki Yukawa vuonna 1935, jolloin hän esitti idean vahvaa vuorovaikutusta välittävästä hiukkasesta, jota nykyään kutsutaan pioniksi. [3] [4] Ensimmäinen kokeellinen todiste pionin olemassaolosta läydettiin, kun vuonna 1947 brittiläinen ydinfyysikko Cecil Powell Bristolin yliopistosta alaisineen suoritti korkeaenergisen kosmisen säteilyn tutkimusta ydinreaktion valokuvausmenetelmällä. [5] He havaitsivat π+- ja π-pionit. Myöhemmin havaittiin π0-pionit hiukkaskiihdytinkokeissa.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Koska pionit koostuvat kvarkeista, ne kuuluvat hadroneista muodostuvaan ”hiukkasperheeseen”. Pionit kuuluvat mesoneihin, sillä ne koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista, kun taas toinen hadronien ryhmä, baryonit, muodostuu kolmesta kvarkista. Pionien spinluku on nolla, joten ne kuuluvat myös bosoneihin.

Pionien hajoaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Feynmanin diagrammi esittää π+-pionin hajoamista heikkoa vuorovaikutusta välittävän W-bosonin avulla antimyoniksi ja myonin neutriinoksi.

Pionien elinaika on melko lyhyt, ja ne hajoavat nopeasti heikon vuorovaikutuksen johdosta muiksi hiukkasiksi. Yleisimmin pioni hajoaa myoniksi ja sen antineutriinoksi tai antimyoniksi ja myonin neutriinoksi. π+- ja π-pionien säteilyä voidaan kuvata hajoamisyhtälöillä [6]

\pi^- \rightarrow \mu^- + \vec{\nu}_{\mu}
\pi^+ \rightarrow \mu^+ + \nu_{\mu},

missä \scriptstyle \mu on myoni, \scriptstyle \mu^+antimyoni, \scriptstyle \nu_{\mu} myonin neutriino ja \scriptstyle \vec{\nu}_{\mu} myonin antineutriino.

Harvinaisempi hajoamismoodi π+- ja π-pioneille on hajoaminen elektroniksi ja tämän antineutriinoksi tai positroniksi ja elektronin neutriinoksi. Tällaista hajoamista kuvataan yhtälöillä

\pi^- \rightarrow e^- + \vec{\nu}_{e}
\pi^+ \rightarrow e^+ + \nu_{e},

missä \scriptstyle e on elektorni, \scriptstyle e^+ positroni, \scriptstyle \nu_{e} elektronin neutriino ja \scriptstyle \vec{\nu}_e elektronin antineutriino.

Neutraali pioni π0 hajoaa muiksi hiukkasiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia. Yleisin neutraalin pionin hajoamismoodi on siroaminen kahdeksi fotoniksi [1]

\pi^0 \rightarrow \gamma + \gamma,

missä \gamma on fotoni.

Harvinaisempi neutraalin pionin hajoamismoodi on säteily elektroniksi, positroniksi ja fotoniksi:

\pi^0 \rightarrow e^- + e^+ + \gamma.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Particle Data Group - Mesons (pdf) (englanniksi)
  2. HyperPhysics - pion (html) (englanniksi)
  3. Science Encyclopedia - Subatomic Particles (html) (Kappale "Pion, muons, and kaons") (englanniksi)
  4. University of Surrey, Department of Physics - Mesons (html) (englanniksi)
  5. M. K. Sundaresan: ”1”, Handbook of Particle Physics. Kappale "Pion Discovered". CRC Press, 2001. ISBN 0-8493-0215-3. (englanniksi)
  6. David Griffths: ”1.5”, Introduction To Elementary Particles. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4. (englanniksi)