Pion (π-meson): definition, ladning, levetid og rolle i atomkernen
Pion (π-meson): Lær om ladning, levetid og pioners afgørende rolle i atomkernen – hvordan op-/ned-kvarker holder nukleoner sammen.
En pion eller π-meson er en meson, altså en subatomar partikel sammensat af en kvark og en antikvark. Pioner udgør det letteste medlem af hadroner-familien (partikler, der består af kvarker) og findes i tre varianter: en positiv (π+), en negativ (π−) og en neutral (π0).
Kvarkindhold og ladning
Pionernes opbygning involverer kun de to letteste kvarktyper: op og ned. De konkrete kvarkindhold er:
- π+: op + anti-ned (ofte skrevet u d̄)
- π−: ned + anti-op (d ū)
- π0: en kvante-mejsing/linearkombination af u ū og d d̄ (typisk (u ū − d d̄)/√2)
Fordi kvarker bærer ladning, bliver pionerne henholdsvis positivt (π+) eller negativt (π−) ladede, når de sammensættes af forskellige smagsvarianter. Når kvark og antikvark har samme smag, fremkommer en neutral pion.
Masse, spin og levetid
Pioner er meget lette sammenlignet med andre hadroner. De har spin 0 og negativ paritet (JP = 0−), hvilket klassificerer dem som pseudoskalare mesoner. Typiske tal (afrundede):
- Masser: π± ≈ 139,6 MeV/c², π0 ≈ 135,0 MeV/c².
- Levetider: ladede pioner (π±) lever i gennemsnit omkring 2,6·10−8 s (ca. 26 nanosekunder), mens den neutrale pion (π0) er meget kortlivet (~8,4·10−17 s) fordi den henfalder hurtigt til fotoner.
De ladede pioners dominerende henfald er til leptoner (primært μν, altså en muon og en muon-neutrino). π0 henfalder næsten altid til to fotoner via den elektromagnetiske interaktion.
Rolle i atomkernen og kraftformidling
Pioner spiller en central rolle som formidlere af den stærke krafts vekselvirkning mellem nukleoner (dvs. protoner og neutroner) i atomkernen. I den såkaldte residuale stærke kraft beskrives væksten af en tiltrækkende potentiale ofte ved udveksling af virtuelle pioner — en model oprindeligt foreslået af Yukawa — som forklarer, hvordan kernepartikler bindes sammen og holder kernen intakt.
Produktion og forekomst
Pioner produceres i mange højenergi-processer, fx i partikelacceleratorer, i kosmiske strålers interaktioner med atmosfæren og i hadronhenfald. Fordi de er lette og ofte dannes i kraftige kollisioner, optræder pioner som hyppige mellemprodukter i ustabile reaktioner.
Teoretisk betydning
Ud over deres rolle i kernefysikken er pioner også væsentlige i kvantekromodynamik (QCD): de opfattes som pseudo-Goldstone-bosoner forbundet med den spontane brud på chiralsymmetrien i QCD. Dette gør pioner til vigtige testobjekter for teorier om stærk interaktion og til præcise målepunkter i eksperimentel partikelfysik.
Hurtig oversigt – nøgleegenskaber
- Type: meson (meson), hadron
- Sammensætning: kvark + antikvark (kvark + antikvark)
- Varianter: π+, π−, π0
- Levetid: π± ≈ 2,6·10−8 s; π0 ≈ 8,4·10−17 s
- Vigtighed: formidler den residuale stærke krafts interaktion mellem nukleoner i almindeligt stof
Pioner er dermed både praktisk vigtige i forklaringen af atomkernens binding og teoretisk centrale i studiet af stærke vekselvirkninger.
En up-kvark (u) og en down anti-kvark er en kombination for at danne en pion
Tre typer af pioner
De tre typer pioner har det græske bogstav pi i deres symboler:
π+ for den positivt ladede pion
π– for den negativt ladede pion, og
π0 for den neutrale pion.
(Overskriften) ,+– eller0 henviser blot til pionens (elektromagnetiske) ladning.
Opadgående kvarker har en ladning på +2 ⁄3 og nedadgående antikvarker har en ladning på +1 ⁄3 , så π+ har en ladning på +1 (som en proton).
Antipartikler har en ladning modsat deres partikler, så opadgående antiquarks har en ladning på -2 ⁄3 og nedadgående quarks har en ladning på -1 ⁄3 . Det betyder, at π− har en ladning på -1 (ligesom en elektron).
Fordi π0 parrer kvarker af samme smag med deres antikvarker, efterlader både op-kvarken (+2 ⁄3 ) parret med op-anti-kvark (-2 ⁄3 ) og ned-kvark (+1 ⁄3 ) parret med ned-anti-kvark (-1 ⁄3 ) den med nul ladning (som en neutron).
Kvarker og antikvarker har også en anden form for ladning kaldet farve, som ikke har noget at gøre med elektromagnetisk ladning. Dette kommer fra den stærke vekselvirkning, der holder kvarkerne sammen. Som i alle mesoner skal farveladningerne i en pion være lige store og modsatrettede: blå med antiblå, grøn med anti-grøn eller rød med anti-rød. Effekten af disse farve-anticolor-parringer er, at pionens farveladning er farveløs (ligesom en neutron er neutral). På de mindste afstande, typisk inden for en atomkerne, forbliver en lille effekt af farveladningen tilbage og virker som den kernekraft, der holder kernen sammen. Inden for kernen udveksles virtuelle pioner (og andre virtuelle mesoner) mellem nukleoner (protoner og neutroner), hvilket trækker dem sammen.
Antikvarker er antimaterie, så de vil annihilere en kvark af samme smag, som er tæt nok på. Det betyder, at kvarken og antikvarken vil omdanne hinanden til energi.
Kraftbærere
Kraftbærere er partikler, der er ansvarlige for virkningen af kræfter, som f.eks. elektromagnetisme. Ligesom fotoner er ansvarlige for den elektromagnetiske kraft, er mesoner ansvarlige for nogle af de lavere energi- (rest-)vekselvirkninger mellem nukleoner, der opstår mellem nukleoner. (Den stærke kraft kaldes også for kernekraft eller den resterende stærke kraft, når den virker mellem nukleoner). På et endnu mindre niveau er gluoner ansvarlige for vekselvirkningerne i den stærke kraft mellem kvarker.
Pion henfald
Ved henfald af ladede pioner opstår der altid leptoner, som f.eks. elektroner.
π+ henfalder næsten altid til en myon og en myon antineutrino.
π– henfalder næsten altid til en antimuon og en myonneutrino.
En neutral pion, π0 , vil normalt henfalde til to højt energimæssige fotoner.
Andre former for pion-henfald
Der er dog en vis sandsynlighed (fra <0,1 % til 1,2 %) forbundet med henfaldet af nogle pioner, da de også kan henfalde i forskellige former. For π+ er det næstmest sandsynlige henfaldsprodukt en positron (en anti-elektron) og en elektronneutrino. π– vil undertiden henfalde til en elektron og en elektronantineutrino. π0 vil undertiden henfalde til en højt energiseret foton, en elektron og en positron. (Husk på, at positroner og elektroner kan annihilere hinanden, og denne annihilation producerer højt energirige fotoner).
Nedbrydning på grund af den svage kraft
Da pionernes henfald skyldes den svage kraft, indføres endnu en kraftbærer. Under henfaldet skabes en W+ boson, som varer i 3x10−25 sekunder. Efter denne utroligt korte tid vil W+ bosonen henfalde til de leptoner, som pionerne naturligt ville henfalde til. Det er dog vigtigt at skelne mellem disse to, da de omfatter den svage kraft.
| Partikler i fysik | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Komposit |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en pion?
A: En pion er en meson, som er en subatomar partikel bestående af en kvark og en antikvark.
Spørgsmål: Hvor mange typer kvarker er der?
Svar: Der findes seks typer kvarker (kaldet flavours).
Sp: Hvilke to flavours går sammen for at danne en pion?
Svar: De to varianter, der går sammen for at danne en pion, kaldes up og down.
Sp: Afhænger pionens ladning af den type kvarker, den indeholder?
A: Ja, pionens ladning afhænger af den type kvarker, den indeholder. Når to kvarker har forskellig smag (op og ned), har pionen en ladning. Denne ladning er positiv, når en op-kvark danner par med en ned-anti-kvark, og negativ, når en ned-kvark danner par med en op-anti-kvark.
Spørgsmål: Hvor længe eksisterer ladede pioner?
Svar: Læssede pioner eksisterer i gennemsnit i omkring 26 nanosekunder. Neutrale pioner eksisterer kun i en lille brøkdel af denne tid.
Spørgsmål: Hvorfor er pioner vigtige for vores liv?
A: Pioner er vigtige for vores liv, fordi de er en af de måder, hvorpå den stærke krafts vekselvirkninger kan finde sted mellem nukleoner som protoner og neutroner i almindeligt stof, som holder kernen sammen.
Spørgsmål: Hvad gør ladede eller neutrale mesoner til de mesoner med længste gennemsnitlige levetid?
Svar: De ladede eller neutrale mesoner med længste middellevetid er dem, der består af positivt eller negativt ladede partikler kaldet hadroner (partikler, der består af kvarker).
Søge