Pioni (fysiikka)

Malline:Hiukkanen 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.

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

Historia

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

Ominaisuudet

Rakenne

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

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

${\pi }^{-}\to {\mu }^{-}+{\overrightarrow{\nu }}_{\mu }$

${\pi }^{+}\to {\mu }^{+}+{\nu }_{\mu }$,

missä $\mu$ on myoni, ${\mu }^{+}$antimyoni, ${\nu }_{\mu }$ myonin neutriino ja ${\overrightarrow{\nu }}_{\mu }$ myonin antineutriino.

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

${\pi }^{-}\to e^{-}+{\overrightarrow{\nu }}_e$

${\pi }^{+}\to e^{+}+{\nu }_e$,

missä $e$ on elektorni, $e^{+}$ positroni, ${\nu }_e$ elektronin neutriino ja ${\overrightarrow{\nu }}_e$ elektronin antineutriino.

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

${\pi }^0\to \gamma +\gamma$,

missä $\gamma$ on fotoni.

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

${\pi }^0\to e^{-}+e^{+}+\gamma$.