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.