Pionai: kas tai yra, sandara ir reikšmė stipriojoje sąveikoje
Pionai — mezonai iš kvarkų/antikvarkų, esminiai stipriosios sąveikos nešėjai tarp nukleonų. Sužinok jų sandarą, savybes ir vaidmenį branduolyje.
Pionai (paprastai sutrumpintai π) yra mezonų rūšis - subatominės dalelės, sudarytos iš kvarkų ir antikvarkų derinio. Kadangi antikvarkai yra antimaterija, jie anihiliuoja tos pačios rūšies (vadinamosios skonio) kvarką, jei prie jo priartėja. Tačiau ši reakcija nėra momentinė, todėl pionai, kaip ir visi mezonai, gali egzistuoti neilgai. Pionai nuo kitų mezonų skiriasi tuo, kad juos sudaro vienas aukštynkvantinis kvarkas ir vienas žemynkvantinis kvarkas, iš kurių bet kuris gali būti antidalelė. Pionai yra svarbūs mokslui, nes manoma, kad jie yra atsakingi už stipriosios jėgos sąveiką, vykstančią tarp nukleonų (protonų arba neutronų).
Kas yra pionai ir kokie jų tipai
Pionai sudaro izospino tripletą ir egzistuoja trys pagrindinės formos:
- π+ (teigiamas pionas), sudarytas iš u kvarko ir anti-d antikvarko;
- π− (neigiamas pionas), sudarytas iš d kvarko ir anti-u antikvarko;
- π0 (neutralus pionas), kuris yra kvarkų–antikvarkų superpozicija (dažnai aprašomas kaip mišinys u anti-u ir d anti-d).
Sandara ir savybės
Pagrindinė pionų sandara yra paprasta — juos sudaro vienas kvarkas ir vienas antikvarkas, dažniausiai aukštyn (u) arba žemyn (d) tipo. Dėl to pionai yra santykinai lengvos hadronų šeimos dalelės. Svarbios parametrinės reikšmės:
- Mases: π± apie 139,6 MeV/c², π0 apie 135,0 MeV/c²;
- Gyvavimo trukmė: π± ~2,6·10−8 s (skilinėja daugiausia per silpnąją sąveiką), π0 ~8,4·10−17 s (greitai žlunga į fotonus per elektromagnetinę sąveiką);
- Skilimo kanalai: π± dažniausiai skyla į miuoną ir miuoninį neutriną (π+ → μ+ + νμ) — tai vyraujantis kelias; π0 dažniausiai skyla į du fotonus (π0 → γ + γ).
Reikšmė stipriojoje sąveikoje ir branduolinėje fizikoje
Yukawa pasiūlė idėją, kad stipriosios jėgos tarp nukleonų yra perduodamos keičiantis mezonais — lengviausiu iš jų tapo pionas. Nors ši idėja — vadinama Yukawa potencialu — yra apytikslė palyginus su pilna kvantinės chromodinamikos (QCD) teorija, pionų mainai paaiškina ilgąją stipriosios sąveikos dalį, kuri sieja protonus ir neutronus branduolyje. Keičiantis pionams gaunama traukiamoji jėga su charakteringu atstumo mastu, susijusiu su pionų mase (maždaug vieno fer-metro mastu).
Teorinė reikšmė
Pionai taip pat turi svarbią vietą QCD teorijoje: jie laikomi pseudo-Goldstone bozonais, atsirandančiais dėl spontaninio chiralinio simetrijos lūžimo. Šis paaiškinimas lemia, kodėl pionai yra žymiai lengvesni už kitus hadronus — jų masė yra susijusi su simetrijos pažeidimu.
Istorija ir aptikimas
Pionų koncepciją 1935 m. pasiūlė J. Yukawa kaip branduolinės traukos nešėją. Pionai buvo aptikti eksperimentuose su kosminėmis spindulėmis XX a. 4 dešimtmetyje — pirmuosius stebėjimus susiejo su Cecil Powell ir bendradarbiais apie 1947 m. Vėliau pionai buvo plačiai gaminami ir tiriami dalelių greitintuvuose.
Gamyba ir aptikimas eksperimentuose
Pionai atsiranda aukštos energijos sąveikose, pvz., protonų ar sunkiųjų jonų susidūrimų metu, taip pat iš nestabilių sunkesnių hadronų skilimo. Eksperimentuose pionai aptinkami stebint jų skilimo produktus — miuonus, neutrinas ir fotonus — naudojant sekimo detektorius, miuonų detektorius ir kalorimetrus. Neutralūs pionai dėl greito skilimo į fotonus dažnai nustatomi fotonų porų energijų ir kampinių paskirstymų analizės būdu.
Panaudojimas ir reikšmė praktikoje
Pionai yra svarbūs ne tik teorinei fizikai, bet ir praktiniams tyrimams: jie naudojami branduolinės medžiagos sąveikos tyrimams, aukštos energijos fizikoje kaip impulsiniai tyrimų įrankiai ir dalelės, per kurių skilimus tiriamos fundamentinės sąveikos (pvz., silpnoji sąveika). Pionų savybės taip pat yra kontrolinės reikšmės testuojant QCD modelius ir simetrijų paaiškinimus.
Santrauka
Pionai — lengviausi mezonai, sudaryti iš aukštyn ir žemyn kvarkų bei atitinkamų antikvarkų — atlieka kertinį vaidmenį paaiškinant stipriąją sąveiką tarp nukleonų branduolyje. Jų masės, gyvavimo trukmė ir skilimo kanalai paaiškina, kaip jie perduoda ilgąją stipriosios sąveikos dalį, o jų tyrimas ir toliau yra svarbus QCD ir branduolinės fizikos srityse.
Vienas aukštynkarkis (u) ir vienas žemynkarkis antikvarkas yra viena kombinacija, iš kurios susidaro pionas
Trys pionų tipai
Yra trys pionų tipai: π+ , π– ir π0 . Virš π esantys +, - arba 0 reiškia tiesiog pionų krūvį. π+ yra sudarytas iš vieno aukštynkvarko ir vieno žemynkvarko. π- yra sudarytas iš vieno žemynkvarko ir vieno aukštynkvarko. Kadangi antidalelės turi priešingą krūvį, π+ yra teigiamas, nes aukštynkvarko krūvis yra +2/3, o žemynkvarko (įprastų žemynkvarkių krūvis yra -1/3) krūvis yra +1/3. Atvirkštinis teiginys galioja π– . π0 gali būti sudarytas iš vieno aukštynkvarko ir aukštynkvarko antikvarko arba vieno žemynkvarko ir vieno žemynkvarko antikvarko.
Jėgos nešėjai
Jėgų nešėjai - tai dalelės, kurios sukelia jėgas, pavyzdžiui, elektromagnetizmą. Manoma, kad fotonai yra atsakingi už elektromagnetinę jėgą, o mezonai - už kai kurias mažesnės energijos stipriųjų jėgų sąveikas, vykstančias tarp nukleonų. (Stiprioji jėga dar vadinama branduoline jėga). Manoma, kad dar mažesniu lygmeniu gliuonai yra atsakingi už stipriosios jėgos sąveiką tarp kvarkų. Tačiau, kadangi jie sudaryti iš lengviausių kvarkų (aukštyn ir žemyn), pionai yra lengviausi mezonai. Tai reiškia, kad (išskyrus π0 ) jie taip pat yra vieni iš ilgiausiai gyvenančių mezonų. Tačiau, kaip ir visi mezonai, jie ilgainiui suyra arba suyra.
Pionų skilimas
Pionų skilimo metu visada susidaro leptonai, pavyzdžiui, elektronai. π+ paprastai skyla į vieną miuoną ir vieną miuono neutriną. π– paprastai skyla į vieną antimuoną ir vieną miuono antineutriną. Neutralūs pionai -π0 - paprastai skyla į du labai įelektrintus fotonus.
Kitos pionų skilimo formos
Tačiau kai kurių pionų skilimo tikimybė yra tam tikra (nuo <,1 % iki 1,2 %), nes jie taip pat gali skilti į skirtingas formas. π+ , antrasis labiausiai tikėtinas skilimo produktas yra vienas pozitronas (antielektronas) ir vienas elektroninis neutrinas. π– kartais skyla į vieną elektroną ir vieną elektroninį antineutriną. π0 kartais skyla į vieną labai įelektrintą fotoną, vieną elektroną ir vieną pozitroną. (Nepamirškite, kad pozitronai ir elektronai gali anihiliuoti vienas kitą, o šios anihiliacijos metu susidaro labai įelektrintas fotonas).
Skilimas dėl silpnosios jėgos
Kadangi pionų skilimas vyksta dėl silpnosios jėgos, įvedamas dar vienas jėgos nešėjas. Skilimo metu susidaro W+ bozonas, kuris trunka 3x10−25 sekundžių. Po šio neįtikėtinai trumpo laiko W+ bozonas suyra į leptonus, į kuriuos natūraliai suyra pionas. Tačiau svarbu atskirti šį skirtumą, nes jis apima ir silpnąją jėgą.
| · v · t · e Dalelės fizikoje | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Sudėtinis |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra pionas?
A: Pionas yra mezonas, subatominė dalelė, sudaryta iš vieno kvarko ir vieno antikvarko.
K: Kiek yra kvarkų rūšių?
Atsakymas: Yra šešios kvarkų rūšys (vadinamos skoniais).
K: Kokie du skoniai kartu sudaro pioną?
Atsakymas: Du skoniai, iš kurių kartu susidaro pionas, vadinami aukštyn ir žemyn.
Klausimas: Ar piono krūvis priklauso nuo jį sudarančių kvarkų rūšies?
Atsakymas: Taip, piono krūvis priklauso nuo jo sudėtyje esančių kvarkų tipo. Kai du kvarkai yra skirtingų skonių (aukštyn ir žemyn), pionas turės krūvį. Šis krūvis yra teigiamas, kai aukštesnysis kvarkas poruojasi su žemesniuoju antikvarku, ir neigiamas, kai žemesnysis kvarkas poruojasi su aukštesniuoju antikvarku.
Klausimas: Kiek laiko egzistuoja įkrauti pionai?
A: Įkrauti pionai egzistuoja vidutiniškai apie 26 nanosekundes. Neutralūs pionai trunka tik nedidelę šio laiko dalį.
K: Kuo pionai svarbūs mūsų gyvenime?
A.: Pionai yra svarbūs mūsų gyvenimui, nes jie yra vienas iš būdų, leidžiančių vykti stipriosios jėgos sąveikai tarp įprastos medžiagos nukleonų, pavyzdžiui, protonų ir neutronų, kurie laiko branduolį kartu.
Klausimas: Kas lemia, kad įkrauti arba neutralūs mezonai turi ilgiausią vidutinę gyvavimo trukmę?
Atsakymas: Ilgiausią vidutinę gyvavimo trukmę turintys įkrauti arba neutralūs mezonai yra sudaryti iš teigiamai arba neigiamai įkrautų dalelių, vadinamų hadronais (dalelių, sudarytų iš kvarkų).
Ieškoti