Pion (natuurkunde) | een subatomair deeltje gemaakt van één quark en één antiquark

Drie soorten ionen

De drie soorten pion hebben de Griekse letter pi in hun symbolen:

π⁺ voor de positief geladen pion

π^– voor de negatief geladen pion, en

π⁰ voor de neutrale pion.

De (superscript)⁺ ,^– , of⁰ verwijst gewoon naar de (elektromagnetische) lading van de pion.

Omhooggaande quarks hebben een lading van +² ⁄₃ en omlaaggaande antiquarks hebben een lading van +¹ ⁄₃ , dus π⁺ heeft een lading van +1 (zoals een proton).

Antideeltjes hebben een lading tegengesteld aan hun deeltjes, dus omhoog gerichte antiquarks hebben een lading van -² ⁄₃ en omlaag gerichte quarks hebben een lading van -¹ ⁄₃ . Dit betekent dat π⁻ een lading heeft van -1 (zoals een elektron).

Omdat π⁰ quarks van dezelfde smaak paart met hun antiquarks, verlaten zowel het up quark (+² ⁄₃ ) gekoppeld aan het up antiquark (-² ⁄₃ ) als het down quark (+¹ ⁄₃ ) gekoppeld aan het down antiquark (-¹ ⁄₃ ) het met nul lading (zoals een neutron).

Quarks en antiquarks hebben ook een ander soort lading, die kleur wordt genoemd en geen verband houdt met elektromagnetische lading. Deze komt voort uit de sterke wisselwerking die de quarks bij elkaar houdt. Zoals bij alle mesonen moeten de kleurladingen in een pion gelijk en tegengesteld zijn: blauw met anti-blauw, groen met anti-groen, of rood met anti-rood. Het effect van deze kleur-anticolor-paren is dat de kleurlading van de pion kleurloos is (zoals een neutron neutraal is). Op de kleinste afstanden, meestal binnen een atoomkern, blijft een klein effect van de kleurlading bestaan en werkt als de kernkracht die de kern bij elkaar houdt. Binnen de kern worden dus virtuele pionen (en andere virtuele mesonen) uitgewisseld tussen nucleonen (protonen en neutronen), waardoor ze naar elkaar toe worden getrokken.

Antiquarks zijn antimaterie, dus ze zullen een quark van dezelfde smaak die dichtbij genoeg is, annihileren. Dit betekent dat het quark en het antiquark elkaar omzetten in energie.

Krachtdragers

Krachtdragers zijn deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de werking van krachten, zoals elektromagnetisme. Zoals fotonen verantwoordelijk zijn voor de elektromagnetische kracht, zo zijn mesonen verantwoordelijk voor sommige van de lagere energie (residuele) sterke-krachtinteracties die optreden tussen nucleonen. (De sterke kracht wordt ook kernkracht of residuele sterke kracht genoemd wanneer de actie tussen nucleonen plaatsvindt). Op een nog kleiner niveau zijn gluonen verantwoordelijk voor de sterke-krachtinteracties tussen quarks.

Pionverval

Verval van geladen pionen produceert altijd leptonen, zoals elektronen.

π⁺ vervalt bijna altijd in één muon en één muon antineutrino.

π^– vervalt bijna altijd in één antimuon en één muonneutrino.

Een neutrale pion, π⁰ , vervalt gewoonlijk in twee fotonen met hoge energie.

Andere vormen van Pion-verval

Er is echter enige waarschijnlijkheid (van <0,1% tot 1,2%) betrokken bij het verval van sommige pionen, aangezien deze ook in verschillende vormen kunnen vervallen. Voor π⁺ is het tweede meest waarschijnlijke vervalproduct één positron (een anti-elektron) en één elektron-neutrino. π^– zal soms vervallen in één elektron en één elektron-antineutrino. π⁰ vervalt soms in één hoog-energetisch foton, één elektron en één positron. (Vergeet niet dat positronen en elektronen elkaar kunnen annihileren, en deze annihilatie produceert fotonen met hoge energie).

Verval door zwakke kracht

Aangezien het verval van pionen te wijten is aan de zwakke kracht, wordt nog een andere krachtdrager geïntroduceerd. Tijdens het verval wordt een W⁺ boson gecreëerd, dat 3x10⁻²⁵ seconden duurt. Na deze ongelooflijk korte tijd zal het W⁺ boson vervallen in de leptonen waartoe de pion op natuurlijke wijze zou vervallen. Het is echter belangrijk om dit onderscheid te maken, omdat het de zwakke kracht omvat.