I pioni (comunemente abbreviati in π) sono un tipo di mesone, che sono particelle subatomiche fatte di una combinazione di quark e antiquark. Poiché gli antiquark sono antimateria, annichiliscono lo stesso tipo (noto come flavour) di quark se si avvicinano ad esso. Tuttavia, questa reazione non è istantanea, e quindi i pioni, come tutti i mesoni, possono esistere per un breve periodo di tempo. Ciò che rende i pioni diversi dagli altri mesoni è che sono fatti di un quark up e di un quark down, ognuno dei quali può essere l'antiparticella. I pioni sono significativi nella scienza perché si pensa che siano responsabili delle interazioni della forza forte che avvengono tra i nucleoni (protoni o neutroni).
Pion
Tre tipi di pioni
Ci sono tre tipi di pioni: π+, π-, e π0. Il +, -, o 0 sopra la π si riferisce semplicemente alla carica del pione. I π+ sono composti da un quark up e un antiquark down, mentre i π- sono composti da un quark down e un antiquark up. Poiché le antiparticelle hanno carica opposta, un π+ è positivo perché un quark up ha una carica di +2/3, e un antiquark down (i normali quark down hanno una carica di -1/3) ha una carica di +1/3. L'affermazione inversa vale per π-. π0 può essere formato con un quark up e un antiquark up, o un quark down e un antiquark down.
Portatori di forza
I portatori di forza sono particelle che sono responsabili delle forze, come l'elettromagnetismo. Come si crede che i fotoni siano responsabili della forza elettromagnetica, si crede che i mesoni siano responsabili di alcune delle interazioni a bassa energia della forza forte che avvengono tra i nucleoni. (La forza forte è anche conosciuta come forza nucleare). Ad un livello ancora più piccolo, si ritiene che i gluoni siano responsabili delle interazioni della forza forte tra i quark. Tuttavia, poiché sono fatti dei quark più leggeri (up e down), i pioni sono i mesoni più leggeri. Questo significa che (ad eccezione di π0) sono anche alcuni dei mesoni più longevi. Tuttavia, come tutti i mesoni, alla fine decadranno, o si romperanno.
Decadimento dei pioni
Il decadimento del pione produrrà sempre dei leptoni, come gli elettroni. π+ di solito decade in un muone e un neutrino muonico. π- di solito decade in un antimuone e un antineutrino muonico. I pioni neutri -π0 - di solito decadono in due fotoni altamente energizzati.
Altre forme di decadimento dei pioni
Tuttavia, c'è una certa probabilità (da <,1% a 1,2%) legata al decadimento di alcuni pioni, poiché possono anche decadere in forme diverse. Per π+, il secondo prodotto di decadimento più probabile è un positrone (un anti-elettrone) e un neutrino elettronico. π- a volte decadrà in un elettrone e un elettrone antineutrino. π0 a volte decadrà in un fotone altamente eccitato, un elettrone e un positrone. (Tieni presente che positroni ed elettroni possono annichilarsi a vicenda, e questa annichilazione produce un fotone altamente eccitato).
Decadimento dovuto alla forza debole
Poiché il decadimento dei pioni è dovuto alla forza debole, viene introdotto un altro vettore di forza. Durante il decadimento, viene creato un bosoneW+, che dura per 3x10-25 secondi. Dopo questo tempo incredibilmente breve, il bosone W+ decadrà nei leptoni in cui il pione decadrebbe naturalmente. Tuttavia, è importante fare questa distinzione, perché include la forza debole.
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Domande e risposte
D: Che cos'è un pione?
R: Un pione è un mesone, ossia una particella subatomica composta da un quark e un antiquark.
D: Quanti tipi di quark esistono?
R: Ci sono sei tipi di quark (chiamati sapori).
D: Quali due sapori si uniscono per formare un pione?
R: I due sapori che si uniscono per formare un pione sono chiamati up e down.
D: La carica del pione dipende dal tipo di quark che contiene?
R: Sì, la carica del pione dipende dal tipo di quark che contiene. Quando due quark hanno sapori diversi (alto e basso), il pione avrà una carica. Questa carica è positiva quando un quark up si accoppia con un antiquark down e negativa quando un quark down si accoppia con un antiquark up.
D: Per quanto tempo esistono i pioni carichi?
R: I pioni carichi esistono in media per circa 26 nanosecondi. I pioni neutri durano solo una piccola frazione di questo tempo.
D: Perché i pioni sono importanti per la nostra vita?
R: I pioni sono importanti per la nostra vita perché sono uno dei modi in cui le interazioni di forza forte hanno luogo tra i nucleoni come i protoni e i neutroni nella materia ordinaria, che tengono insieme il nucleo.
D: Cosa rende i mesoni carichi o neutri con la vita media più lunga?
R: I mesoni carichi o neutri con la vita media più lunga sono quelli composti da particelle cariche positive o negative chiamate adroni (particelle composte da quark).