Pioni (parasti saīsināti π) ir mezonu paveids — subatomāras daļiņas, kuras sastāv no kvārku un antikvārku kombinācijas. Pioni pieder pie vieglākajiem mezoniem un ir īpaši nozīmīgi kodolfizikā, jo tie starpnieko spēcīgā spēka reziduālajā mijiedarbībā starp nukleoniem (protoniem vai neitroniem).

Kvarku sastāvs un lādiņi

Pioniem ir trīs elektriski atšķirīgi stāvokļi: pozitīvie π+, negatīvie π− un neitrālie π0. To kvarku sastāvs ir vienkāršs un raksturīgs vieglajiem u (augšup) un d (lejup) kvarkiem:

  • π+ = u + antikvārks d̄ (u d̄)
  • π− = d + antikvārks ū (d ū)
  • π0 ≈ (u ū − d d̄) / √2 — kvantu superpozīcija no u ū un d d̄ komponentēm

Visi pioniem ir skaita spin 0 (skalaras/pseido-skalaras daļiņas) un pieder pie izospina tripleta.

Fiziskās īpašības un dzīves ilgums

  • Massas: π± ≈ 139.6 MeV/c², π0 ≈ 135.0 MeV/c².
  • Dzīves ilgums: lādētie pioni (π±) dzīvo aptuveni 2.6·10−8 s; neitrālais π0 izsadalās ļoti ātri (~8.4·10−17 s), galvenokārt elektromagnētiski.
  • Sadales režīmi: π+ un π− galvenokārt sadalās vājajā mijiedarbībā (piem., π+ → μ+ + νμ), kamēr π0 galvenokārt sadalās elektromagnētiski (π0 → 2γ).

Loma kodolspēkos

Japāņu fiziķis Hideki Jukava (Yukawa) 1935. gadā priekšmeta spēka izskaidrošanai prognozēja daļiņu apmaiņu, kuras vēlāk identificēja kā pionus. Pioni starpnieko reziduālo spēcīgo mijiedarbību starp nukleoniem — tie veido pievilkšanas komponenti, kas uztur kodolu kopā. Šo mijiedarbību bieži apraksta, izmantojot Jukavas potenciālu, kas samazinās eksponenciāli ar attālumu, izstarojot pionu masas mērogu.

Teorētiskā nozīme

Pioni nav tikai praktisks mehānisms kodola saitei — tie ir arī svarīgi kvantu hromodinamikas (QCD) teorētiskai izpratnei. Vieglie pioni tiek uzskatīti par pseudo-Goldstona bozonu manifestāciju spontānas čirālās simetrijas (chiral symmetry) slēgšanā QCD — tas skaidro, kāpēc pioni ir salīdzinoši viegli, nevis masīvas daļiņas.

Atklāšana un mērījumi

Pioni tika novēroti kosmiskajos stara eksperimentos 1947. gadā, un kopš tā laika to īpašības ir precīzi izmērītas daudzu paaudžu fizikā. Tie tiek radīti gan kosmiskajos staros, gan citos augstas enerģijas procesā, piemēram, sadursmēs akseleratoros, un tie ir svarīgi instrumenti elementārdaļiņu un kodolfizikas eksperimentiem.

Kopsavilkums

Pioni ir viegli mezoni, kas sastāv no kvārku–antikvārku pāriem (galvenokārt u un d kvārki), tiem ir trīs lādiņu stāvokļi, īss, bet eksperimentāli viegli mērāms mūžs, un tie pilda galveno lomu reziduālās spēcīgās mijiedarbības pārvadē starp nukleoniem. Papildus praktiskajai lomai kodolspēkos, pioni ir arī svarīgs komponents teorētiskajā QCD izpratnē.