Пионът или π-мезонът е мезон, който е субатомна частица, съставена от един кварк и един антикварк.

Съществуват шест вида кварки (наречени аромати), но само два аромата се обединяват, за да се получи пион. Тези аромати се наричат "нагоре" и "надолу". Кварките имат заряд, така че два кварка с един и същ аромат (и двата нагоре или двата надолу) правят неутрален пион. Но когато двата кварка са с различни аромати (нагоре и надолу), пионът ще има заряд. Този заряд е положителен, когато възходящ кварк се сдвоява с низходящ антикварк. Зарядът е отрицателен, когато низходящ кварк се сдвоява с възходящ антикварк.

Пионите не съществуват от дълго време. (Заредените пиони съществуват средно около 26 наносекунди; неутралните пиони са малка част от това време). Пионите са важни за живота ни, защото са един от начините за осъществяване на взаимодействието на силните сили между нуклеоните като протоните и неутроните на обикновената материя. Тези взаимодействия държат ядрото заедно.

Пионите са най-леките адрони (частици, съставени от кварки), а пионите с положителен или отрицателен заряд са мезоните с най-дълъг среден живот (средното време, което минава, преди да се разпаднат в лептони).




 

Видове, маси и основни свойства

Има три основни вида пиони, които формират изоспинов тройна: π+, π− и π0. Те са мезони с общи характеристики:

  • Кварков състав: π+ = u anti-d (възходящ кварк + низходящ антикварк), π− = d anti-u, докато π0 е линеен суперпозиционен микс главно от u anti-u и d anti-d (приблизително (u anti-u − d anti-d)/√2).
  • Маса: заредените пиони имат маса около 139.57 MeV/c2, а неутралният — около 134.98 MeV/c2.
  • Спин и паритет: пионите са псевдоскалярни частици с квантово число J^P = 0^−.
  • Изоспин: те образуват изоспиново тройно с I = 1 (π+, π0, π−).

Срок на живот и разпадове

Заредени пиони (π±) имат среден живот около 2.6 × 10^−8 s (приблизително 26 наносекунди). Най-честият канал на разпад е в мюон и мюонно неутрино: π+ → μ+ νμ (над 99.9% от случаите). Много рядък е директният разпад в електрон и електронно неутрино π+ → e+ νe поради спин- и хелицитетови фактори.

Неутрален пион (π0) е значително нестабилен — неговият живот е от порядъка на 8.4 × 10^−17 s и най-често (над 98%) се разпада в две гама-фотони: π0 → γγ. Този бърз разпад е свързан с електромагнитното взаимодействие и аномалията на адронния ток в квантовата хромодинамика (QCD).

Роля в ядрените взаимодействия и в теорията

Исторически пионът е бил предсказан от Юкава като носител на силовото взаимодействие между нуклеоните при обяснение на обвързването на ядрата чрез кратко-обхватна потенциална сила (Юкава потенциал). Днес разбираме, че фундаменталната сила е силната сила (квантова хромодинамика), но пионите остават ефективните носители на остатъчната част от силната сила между протони и неутрони в ядрото.

От теоретична гледна точка пионите играят специална роля като псевдо-Голдстоунови бозони — те произхождат от спонтанното нарушаване на хиралната симетрия в QCD и поради това са най-леките адрони. Това обяснява защо при вътрешни взаимодействия на ниски енергии моделите с пиони дават добро описание на наблюдаваните явления.

Произход, детекция и приложения

Пиони се създават често при високоенергийни сблъсъци — в космическите лъчи при взаимодействие с атмосферата и в ускорителни експерименти. Тъй като заредените пиони се разпадат предимно в мюони, това е основният източник на мюони при космически лъчи на повърхността на Земята.

Експериментално пионите се изучават чрез следене на следите им в детектори, измерване на енергията на продуктите от разпада (мюони, неутрино, фотони) и чрез анализ на взаимодействията им с материали. Пионни лъчи се използват и в приложни изследвания — например в ядрените и високоенергийни експерименти, в някои случаи за медицински или материални изследвания.

Защо пионите са важни

  • Те обясняват и описват остатъчната силна сила, която държи ядрата заедно.
  • Като най-леки адрони те са ключов инструмент за изучаване на QCD при ниски енергии и за разбирането на спонтанното нарушаване на симетриите в силната теория.
  • Разпадите на пиони са важни за астрофизиката (образуване на мюони), за фундаментални тестове на симетриите и за калибриране на детектори в експерименти с частици.

Като обобщение, пионите (π-мезоните) са фундаментални частици в ядрената и частична физика: те са най-леките адрони, имат специфичен кварков състав, характерни маси и времена на живот и изпълняват ролята на ефективни носители на силовите взаимодействия между нуклеони. Техните свойства продължават да бъдат обект на подробно изучаване както експериментално, така и теоретично.