Pion

Rozbalit box

Obsah boxu

Pion (zkráceně z pí mezon, symbol π) je souhrnný název pro tři subatomární částice: π⁺, π⁻ a π⁰. Jedná se o nejlehčí mezony. Hrají klíčovou roli ve vysvětlení, jak silná jaderná síla drží pohromadě protony a neutrony v atomových jádrech. Skládají se z kvarků a antikvarků první generace.

📜 Historie

Existenci mezonů teoreticky předpověděl japonský fyzik Hideki Jukawa v roce 1935. Snažil se vysvětlit podstatu silné jaderné síly, která váže nukleony (protony a neutrony) v jádře atomu. Podobně jako elektromagnetická interakce je zprostředkována výměnou fotonů, Jukawa navrhl, že silná interakce je zprostředkována výměnou nových, dosud neznámých částic. Z konečného dosahu této síly (působí jen na vzdálenostech srovnatelných s velikostí jádra) odvodil, že tyto částice musí být hmotné. Jeho výpočty ukázaly, že by jejich hmotnost měla být přibližně 200krát větší než hmotnost elektronu. Protože jejich hmotnost ležela mezi hmotností elektronu a protonu, byly nazvány "mezony" (z řeckého mesos, což znamená "střední").

První objevenou částicí, která hmotnostně odpovídala Jukawově předpovědi, byl v roce 1936 mion, objevený Carlem D. Andersonem. Zpočátku byl považován za hledaný mezon. Brzy se však ukázalo, že mion téměř nereaguje prostřednictvím silné interakce a jedná se ve skutečnosti o lepton, těžšího příbuzného elektronu. Tento matoucí objev vedl fyzika I. I. Rabiho k slavnému výroku: "Kdo si tohle objednal?".

Skutečný Jukawův mezon, tedy pion, byl objeven až v roce 1947 týmem vedeným Cecilem Powellem na Univerzitě v Bristolu. Skupina, jejímiž členy byli také César Lattes a Giuseppe Occhialini, analyzovala stopy částic kosmického záření zanechané ve speciálních fotografických emulzích vystavených na Pic du Midi v Pyrenejích. Objevili stopy nabitého pionu (π⁺), který se rozpadal na mion a další neviditelnou částici (neutrino). Za svou teorii mezonů obdržel Hideki Jukawa Nobelovu cenu za fyziku v roce 1949 a Cecil Powell za objev pionu v roce 1950.

Neutrální pion (π⁰) bylo obtížnější detekovat, protože se kvůli svému elektrickému náboji neprojevuje ionizací v detektorech. Byl identifikován v roce 1950 na základě jeho rozpadu na dva fotony.

⚙️ Základní vlastnosti

Piony patří mezi hadrony, konkrétně do skupiny mezonů. Jsou to bosony s nulovým spinem, což znamená, že se neřídí Pauliho vylučovacím principem.

🧬 Kvarkové složení

Podle Standardního modelu částicové fyziky jsou mezony složené částice tvořené jedním kvarkem a jedním antikvarkem. Piony jsou složeny z nejlehčích kvarků, up (u) a down (d).

• Pion π⁺ je tvořen kvarkem up a antikvarkem anti-down (ud). Jeho elektrický náboj je +1 e.
• Pion π⁻ je jeho antičásticí a je tvořen kvarkem down a antikvarkem anti-up (du). Jeho náboj je −1 e.
• Pion π⁰ je elektricky neutrální a je svou vlastní antičásticí. Jeho kvarkové složení je složitější, jedná se o kvantovou superpozici stavů up-antiup a down-antidown: (uu − dd)/√2.

⚖️ Hmotnost a doba života

Nabité a neutrální piony se mírně liší v hmotnosti a dramaticky v době života.

• Nabité piony (π^±) mají klidovou hmotnost přibližně 139,6 MeV/c². Jejich střední doba života je relativně dlouhá, asi 2,6 × 10⁻⁸ sekundy. Rozpadají se prostřednictvím slabé interakce.
• Neutrální pion (π⁰) je o něco lehčí, s hmotností přibližně 135,0 MeV/c². Jeho doba života je extrémně krátká, pouze asi 8,5 × 10⁻¹⁷ sekundy. Rozpadá se prostřednictvím elektromagnetické interakce, která je mnohem silnější (a tedy rychlejší) než slabá interakce.

Malý rozdíl v hmotnosti mezi π^± a π⁰ je připisován především rozdílu v klidové hmotnosti kvarků up a down a také elektromagnetické vazebné energii.

붕 Rozpad

Způsob rozpadu pionů závisí na jejich typu:

• **Rozpad π⁺ a π⁻**:

Dominantním kanálem rozpadu (v 99,9877 % případů) pro nabité piony je rozpad na mion a mionové neutrino (nebo jejich antičástice):

π⁺ → μ⁺ + ν_μ

π⁻ → μ⁻ + ν̅_μ

Mnohem vzácnější je rozpad na elektron (nebo pozitron) a elektronové neutrino, přestože je energeticky výhodnější. Tento jev, známý jako "helicitní potlačení", je důležitým důkazem pro strukturu slabé interakce ve Standardním modelu.

• **Rozpad π⁰**:

Neutrální pion se téměř výhradně (v 98,82 % případů) rozpadá na dva vysokoenergetické fotony (záření gama):

π⁰ → 2γ

Tento rychlý elektromagnetický rozpad je důvodem jeho extrémně krátké doby života.

⚛️ Role v jaderné fyzice

V původní Jukawově teorii byly piony považovány za fundamentální nosiče silné interakce, která drží pohromadě protony a neutrony v atomovém jádře. V tomto modelu si nukleony neustále vyměňují virtuální piony, což vytváří přitažlivou sílu. Například proton se může přeměnit na neutron vyzářením virtuálního π⁺, který je následně pohlcen jiným neutronem, jenž se tím změní na proton.

Tento pohled je dnes považován za zjednodušený, ale stále užitečný model. Moderní teorií silné interakce je kvantová chromodynamika (QCD), která popisuje interakce mezi kvarky a gluony. Síla, která drží pohromadě nukleony v jádře, je v QCD chápána jako "zbytková" nebo "efektivní" interakce mezi barevně neutrálními hadrony. Výměna pionů je tak nízkoenergetickou aproximací mnohem složitějších interakcí mezi kvarky a gluony uvnitř nukleonů. Pro mnoho výpočtů v jaderné fyzice je však pionový výměnný model stále velmi úspěšný.

🔬 Pro laiky

Představte si atomové jádro jako velmi pevně semknutou skupinku lidí (protonů a neutronů). Aby drželi tak pevně u sebe, musí mezi nimi působit neuvěřitelně silné "lepidlo". Fyzik Hideki Jukawa si představil, že toto lepidlo funguje tak, že si lidé ve skupince neustále házejí míčky.

Tyto "míčky" jsou právě piony. Když si například dva protony (které se normálně elektricky odpuzují) začnou velmi rychle přehazovat neutrální pion (π⁰), vytvoří to mezi nimi silnou přitažlivou sílu, která jejich odpuzování překoná. Podobně si proton a neutron mohou přehazovat nabité piony (π⁺ nebo π⁻), přičemž se neustále mění jeden v druhého (proton → neutron a naopak).

Tato neustálá výměna pionů je jako velmi silná a krátká guma, která drží celé jádro pohromadě. I když dnes víme, že podstata je ještě složitější a souvisí s kvarky a gluony, představa pionů jako "jaderného lepidla" je skvělý způsob, jak pochopit základní princip fungování nejsilnější síly v přírodě.

💡 Zajímavosti

• Piony jsou nejlehčími mezony a obecně nejlehčími hadrony.
• Pionové paprsky, uměle vytvořené v urychlovačích částic, byly experimentálně využívány v radioterapii k léčbě rakoviny. Výhodou je, že většina jejich energie se uvolní až na konci jejich dráhy (v tzv. Braggově vrcholu), což umožňuje zacílit nádor s menším poškozením okolní zdravé tkáně.
• Rozpad neutrálních pionů na dva fotony je významným zdrojem vysokoenergetického gama záření v astrofyzice, například při interakcích kosmického záření s mezihvězdným plynem.

Šablona:Aktualizováno