Mis on pioonid? Mesonid, kvargid ja nende roll tuumafüüsikas
Pioonid: mesonid ja kvargid — kuidas need lühiajalised osakesed mõjutavad tuumafüüsikat ja tugevat vastasmõju? Lugege selget ülevaadet ja teaduslikke selgitusi.
Pioonid (tavaliselt lühendatult π) on üks mesoni tüüp — subatomaarsed osakesed, mis koosnevad ühest kvargist ja ühest antikvargist. Kvargid kannavad erinevaid "maitseid" (flavoreid) ning antikvargid on oma vastandosakesed: kui kvark ja sama tüüpi antikvark satuvad kokku, võib toimuda hävitamisreaktsioon, kuid see ei ole kohene, mistõttu pioonid (nagu teisedki mesonid) võivad eksisteerida lühikest ajahetke. Erinevalt paljudest teistest mesonitest esinevad pioonid peamiselt kui üles- ja allakvarkide kombinatsioonid ning nad mängivad tuumafüüsikas olulist rolli, olles peamised kandjad tugeva jõu jäägist (residuaalne vastastikmõju), mis hoiab koos nukleone (prootone ja neutrone) tuumas.
Pioonide liigid ja koostis
Pioonid moodustavad isospin-tripiidi, mille liikmed on:
- π+ — koosneb üleskvargist (u) ja allakvargi antimaterjalisest osast (anti-d), sümboolselt u anti-d;
- π− — koosneb allakvargist (d) ja üleskvargi antikvargist (anti-u), st d anti-u;
- π0 — neutraalne kombinatsioon peamiselt u anti-u ja d anti-d superpositsioonist (kaasa võib minna gluuniline komponent).
Pioonidel on spin 0 ja nad kuuluvad pseudoskalaarsete mesonite hulka (negatiivne pariteet). Neid iseloomustab ka isospin 1 (triplet).
Kaal, eluiga ja lagunemised
- Massid: laetud pioonide mass on ligikaudu 139,6 MeV/c² ja neutraalse piooni mass umbes 135,0 MeV/c².
- Eluiga: laetud pioonid lagunevad tüüpiliselt ~2,6×10⁻⁸ s (26 ns) jooksul; neutraalne pioon on palju lühema elueaga, ~8,4×10⁻¹⁷ s.
- Peamised lagunemisteed:
- π+ → μ+ + ν_μ ja π− → μ− + ν̄_μ — laetud pioonide sagedasem kanal (enamus lagunemistest); see loob muone ja (anti)neutriinosid.
- π0 → γ + γ — neutraalne pioon laguneb valdavalt kahe fotoni paariks (elektromagnetiline lagunemine).
- Elektrilise kanali (π → eν) tõenäosus on väga väike tänu helicity-summutusele.
Roll tuumafüüsikas ja teoorias
Varasemal ajal kirjeldas Hideki Yukawa (1935) pioonide vahetust kui vahendit tuumalist vastastikmõju kirjeldava efektiivse jõu tekkeks. Tema idee oli, et nukleonite vahel vahetatavad virtuaalsed pioonid tekitavad lühikese ulatusega tõmbejõu (Yukawa potentsiaal) — see selgitas, miks tuumajõud on tugev, kuid piiratud ulatusega.
Tänapäevane vaade põhineb kvantkromodünaamil (QCD) ja näeb pioone mitte fundamentaalsete vahendajatena, vaid kui hästikirjeldatavaid koosmõjusid (hadroneid) ning pioone peetakse ka osaliselt Nambu–Goldstone bosoniteks, mis tekivad murrangulise kurris-sümmeetria lagunemisel QCD-s. Sellest hoolimata jääb pioonide vahetus praktiliseks selgituseks tuumajõu jäägist ning pioonivahetust kirjeldavad mudelid (näiteks ühe- ja kahepioonivahetuse mudelid) on tuumauuringutes endiselt kasutusel.
Tootmine ja avastamine
- Pioonid tekivad kergesti kõrgeenergia protsessides: kosmikiirguses atmosfääri sattumisel, suure kiirusega osakeste kokkupõrgetes ja osakeste kiirendites.
- Ajalugu: Yukawa ennustas sellist massi-omadustega osakest; pioone avastati 1947. aastal kosmikiirguse eksperimentides (C. F. Powell ja kolleegid), mis kinnitasid teoreetilisi ootusi.
Miks pioonid on olulised
- Need aitavad mõista, kuidas tekib tuumajõud ja miks aatomituumad on stabiilsed.
- Lagunevad produkte (muonid, fotonid, neutriinod) kasutatakse eksperimentaalses füüsikas häiretest ja protsessidest järelduste tegemiseks.
- Pioonid on laborites kasutatavad osakesteallikad (pioonikiired), mis võimaldavad uurida osakeste hajumist, hadroonide struktuuri ja nukleonide ühismõjusid.
Kokkuvõtlikult: pioonid on lihtsad, ent füüsikaliselt tähtsad mesonid — nad aitavad siduda tuuma koostisosakesi nähtavalt mõistetaval viisil ning toimivad sildana kvargitasandi (QCD) ja tuumatasandi mehhanismide vahel.
Üks up-kvark (u) ja üks down-antikvark on üks kombinatsioon, mis moodustab pioni.
Kolme tüüpi pioonid
Pione on kolme tüüpi: π+ , π– ja π0 . π kohal olev +, - või 0 viitab lihtsalt pioni laengule. π+ koosnevad ühest up-kvarkist ja ühest down-antikvargist. π- koosnevad ühest down-kvarkist ja ühest up-antikvargist. Kuna antiosakestel on vastupidine laeng, siis on π+ positiivne, sest up-kvarki laeng on +2/3 ja down-antiquarki (tavalise down-kvarki laeng on -1/3) laeng on +1/3. Vastupidine väide kehtib π– kohta. π0 võib moodustada ühe up-kvarki ja ühe up-antiquarki või ühe down-kvarki ja ühe down-antiquarki.
Jõu kandjad
Jõu kandjad on osakesed, mis vastutavad jõudude, näiteks elektromagnetismi eest. Nii nagu fotoonid vastutavad arvatavasti elektromagnetilise jõu eest, vastutavad mesoonid arvatavasti mõne madalama energiaga tugeva jõu interaktsiooni eest, mis toimub nukleonide vahel. (Tugev jõud on tuntud ka kui tuumajõud). Veelgi väiksemal tasandil arvatakse, et gluoonid vastutavad kvarkide vaheliste tugeva jõu vastastikmõjude eest. Kuna nad koosnevad aga kõige kergematest kvarkidest (üles- ja allapoole), on pioonid kõige kergemad mesonid. See tähendab, et (välja arvatud π0 ) on nad ka ühed kõige pikaealisemad mesonid. Kuid nagu kõik mesonid, lagunevad ka need lõpuks ehk lagunevad.
Pioni lagunemine
Pioni lagunemisel tekivad alati leptonid, nagu elektronid. π+ laguneb tavaliselt üheks müoniks ja üheks müoni neutriinoks. π– laguneb tavaliselt üheks antimuoniks ja üheks muoni antineutriinoks. Neutraalsed pioonid -π0 - lagunevad tavaliselt kaheks kõrge energiaga fotooniks.
Muud pioonide lagunemise vormid
Mõne pioni lagunemisega on siiski seotud teatav tõenäosus (<,1% kuni 1,2%), sest nad võivad laguneda ka erinevateks vormideks. π+ puhul on teiseks kõige tõenäolisemaks lagunemisproduktiks üks positron (antielektron) ja üks elektronneutriino. π– laguneb mõnikord üheks elektroniks ja üheks elektron-antineutriinoks. π0 laguneb mõnikord üheks kõrge energiaga fotoniks, üheks elektroniks ja üheks positroniks. (Pidage meeles, et positronid ja elektronid võivad teineteist annihileerida ja see annihilatsioon tekitab kõrge energiaga fotoni).
Nõrgast jõust tingitud lagunemine
Kuna pioonide lagunemine on tingitud nõrgast jõust, võetakse kasutusele veel üks jõukandja. Lagunemise käigus tekib W+ boson, mis kestab 3x10−25 sekundit. Pärast seda uskumatult lühikest aega laguneb W+ bosoon leptoniteks, milleks pioon looduslikult laguneks. Siiski on oluline seda vahet teha, sest see hõlmab ka nõrka jõudu.
| · v · t · e Osakesed füüsikas | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Komposiit |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Küsimused ja vastused
K: Mis on pion?
A: Pion on meson, mis on subatomaarne osakese, mis koosneb ühest kvarkist ja ühest antikvargist.
K: Mitu tüüpi kvarki on olemas?
V: Kvarkke on kuut liiki (mida nimetatakse maitseks).
K: Millised kaks flavorit moodustavad koos pioni?
V: Kahte flavorit, mis koos moodustavad pioni, nimetatakse üles- ja allapoole.
K: Kas pioni laeng sõltub sellest, millist tüüpi kvarki ta sisaldab?
V: Jah, pioni laeng sõltub selles sisalduvate kvarkide tüübist. Kui kahel kvarkil on erinev maitse (üles ja alla), on pioonil laeng. See laeng on positiivne, kui up-kvark moodustab paari down-antikvargiga, ja negatiivne, kui down-kvark moodustab paari up-antikvargiga.
K: Kui kaua on laetud pioonid olemas?
V: Laetud pioonid eksisteerivad keskmiselt umbes 26 nanosekundit. Neutraalsed pioonid kestavad ainult väikese osa sellest ajast.
K: Miks on pioonid meie elu jaoks olulised?
V: Pioonid on meie elu jaoks olulised, sest nad on üks viis, kuidas toimub tugeva jõu vastastikmõju nukleonide, nagu prootonid ja neutronid, vahel tavalises aines, mis hoiab tuuma koos.
K: Mis teeb laetud või neutraalsed mesonid kõige pikema keskmise elueaga?
V: Kõige pikema keskmise elueaga laetud või neutraalsed mesonid on need, mis koosnevad positiivselt või negatiivselt laetud osakestest, mida nimetatakse hadroniteks (osakesteks, mis koosnevad kvarkidest).
Otsige