Pioni: definīcija, kvārku sastāvs un loma kodolspēkos
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.
Viens augšupvērsts kvarks (u) un viens lejupvērsts antikvarks ir viena kombinācija, lai izveidotu pionu.
Trīs pionu veidi
Pastāv trīs pionu veidi: π+ , π– un π0 . +, - vai 0 virs π vienkārši norāda uz piona lādiņu. π+ sastāv no viena augšupvērsta kvarka un viena lejupvērsta antikvarka. π- sastāv no viena lejupvērsta kvarka un viena augšupvērsta antikvarka. Tā kā antidaļiņām ir pretējs lādiņš, π+ ir pozitīvs, jo augšējais kvarks ir ar +2/3 lādiņu, bet lejējais antikvarks (parastajiem lejnajiem kvarkiem ir -1/3 lādiņa) ir ar +1/3 lādiņu. Pretējais apgalvojums attiecas uz π– . π0 var veidot ar vienu augšupvērstu kvārku un augšupvērstu antikvārku vai vienu lejupvērstu kvārku un vienu lejupvērstu antikvārku.
Spēka nesēji
Spēka nesēji ir daļiņas, kas ir atbildīgas par spēkiem, piemēram, elektromagnētismu. Tiek uzskatīts, ka fotoni ir atbildīgi par elektromagnētisko spēku, savukārt mezoni ir atbildīgi par daļu no zemākas enerģijas stipro spēku mijiedarbībām, kas notiek starp nukleoniem. (Spēcīgais spēks ir pazīstams arī kā kodola spēks). Vēl mazākā līmenī tiek uzskatīts, ka gluoni ir atbildīgi par spēcīgā spēka mijiedarbību starp kvarkiem. Tomēr, tā kā tie ir veidoti no visvieglākajiem kvarkiem (augšup un lejup), pioni ir visvieglākie mezoni. Tas nozīmē, ka (izņemot π0 ) tie ir arī vieni no visilgāk dzīvojošajiem mezoniem. Tomēr, tāpat kā visi mezoni, arī tie galu galā sabrūk jeb sadalās.
Pionu sabrukums
Pionu sabrukšanas rezultātā vienmēr rodas leptoni, piemēram, elektroni. π+ parasti sabrūk vienā mionā un vienā mionu neitrīno. π– parasti sadalās vienā antimuonā un vienā mionu antineitrīno. Neitrālie pioni - π0 - parasti sadalās divos ļoti enerģētiskos fotonos.
Citi pionu sabrukšanas veidi
Tomēr pastāv zināma varbūtība (no <,1 % līdz 1,2 %), ka daži pioni sabrūk, jo tie var sabrukt arī dažādās formās. Attiecībā uz π+ otrs visticamākais sabrukšanas produkts ir viens pozitrons (antielektrons) un viens elektronu neitrīno. π– dažkārt sadalās vienā elektronā un vienā elektronu antineitrīno. π0 dažreiz sadalās vienā ļoti enerģētiskā fotonā, vienā elektronā un vienā pozitronā. (Jāatceras, ka pozitroni un elektroni var savstarpēji anihilēt, un šīs anihilācijas rezultātā rodas ļoti enerģētisks fotons).
Sadalīšanās vājā spēka dēļ
Tā kā pionu sabrukumu izraisa vājais spēks, tiek ieviests vēl viens spēka nesējs. Sabrukšanas laikā rodas W+ bozons, kas ilgst 3x10−25 sekundes. Pēc šī neticami īsā laika W+ bozons sabrūk leptonos, kuros pions dabiski sabrūk. Tomēr šo atšķirību ir svarīgi nošķirt, jo tā ietver vājos spēkus.
| · v · t · e Daļiņas fizikā | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Kompozīts |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir pions?
A: Pions ir mezons - subatomāra daļiņa, kas sastāv no viena kvarka un viena antikvarka.
J: Cik ir kvārku veidu?
A: Ir seši kvarku veidi (tos sauc par flavoriem).
Kādi divi flavori kopā veido pionu?
A: Divas flavūras, kas kopā veido pionu, sauc par augšējo un apakšējo.
Vai piona lādiņš ir atkarīgs no tā, kāda veida kvarki to satur?
A: Jā, piona lādiņš ir atkarīgs no tā sastāvā esošo kvārku veida. Ja diviem kvarkiem ir dažādas garšas (augšup un lejup), pionam būs lādiņš. Šis lādiņš ir pozitīvs, ja augšupvērstais kvarks savienojas pārī ar lejupvērsto antikvārku, un negatīvs, ja lejupvērstais kvarks savienojas pārī ar augšupvērsto antikvārku.
Jautājums: Cik ilgi eksistē uzlādēti pioni?
A: Uzlādēti pioni eksistē vidēji aptuveni 26 nanosekundes. Neitrālie pioni ilgst tikai nelielu daļu no šī laika.
Jautājums: Kāpēc pioni ir nozīmīgi mūsu dzīvē?
A: Pioni ir nozīmīgi mūsu dzīvē, jo tie ir viens no veidiem, kā notiek spēcīgā spēka mijiedarbība starp nukleoniem, piemēram, protoniem un neitroniem parastajā vielā, kas tur kodolu kopā.
J: Kas padara uzlādētus vai neitrālus mezonus ar visilgāko vidējo dzīves ilgumu?
A: Uzlādēti vai neitrāli mezoni ar visilgāko vidējo mūža ilgumu ir tie, ko veido pozitīvi vai negatīvi uzlādētas daļiņas, ko sauc par hadroniem (daļiņas, ko veido kvarki).
