Pion (π-meson): definition, ladning, levetid og rolle i atomkernen

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 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.

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.