Pione

Pione
Composizione:	1 up, 1 anti down π+ 1 anti up, 1 down π-
Famiglia:	Bosoni
Interazione:	Gravità, Elettromagnetica, Forte
Simbolo:	π-, π0, π+
Massa:	139,6 MeV/c2
Prodotti di decadimento:	muone, neutrino muonico
Carica elettrica:	1, 0, -1 e
Spin:	0

In fisica delle particelle, pione è la forma abbreviata del nome mesone Pi; questa particella subatomica esiste in tre forme: pi-zero (π⁰), pi-più (π⁺) e pi-meno (π^-). I mesoni Pi sono i mesoni più leggeri.

Proprietà

I mesoni Pi hanno spin pari a zero e sono composti di quark di prima generazione. Un quark up e un quark anti-down formano un π⁺ $(u\bar{d})$, un down e un anti-up formano un π^- $(\bar{u}d)$, la sua antiparticella. Combinazioni di up e anti-up, o down e anti-down, sono entrambe neutre, ma poiché hanno gli stessi numeri quantici si trovano solo in una combinazione di stati. La combinazione con minore energia è il π⁰, che è antiparticella di sé stesso ed è formato da una combinazione neutra di quark up e down. Insieme, i pioni formano un tripletto di isospin; ogni pione ha isospin 1 (I = 1) e la terza componente dell'isospin è uguale alla carica (I_z = +1, 0 o −1).

I π⁺ e i π^- possono combinarsi per formare un atomo esotico chiamato pionio, se vengono creati l'uno vicino all'altro con un basso momento relativo.

Il mesone $\pi^\pm$ ha una massa di 139,6 MeV/c² e una vita media di 2,6×10⁻⁸ secondi.

Decadimento pionico

Diagramma di Feynman del decadimento pionico principale.

Il decadimento è un processo debole. Il decadimento principale (99,9877%) per i pioni carichi è in un muone e il suo neutrino

$\pi^+\to\mu^++\nu_\mu,~~~\pi^-\to\mu^-+\bar{\nu}_\mu.$

Il secondo tipo di decadimento (0,0123%) è in elettrone e il suo neutrino:

$\pi^+\to e^++\nu_e,~~~\pi^-\to e^-+\bar{\nu}_e.$

Il mesone π⁰ ha massa 135,0 MeV/c² e una vita media di 8,4×10⁻¹⁷ secondi. Decade elettromagneticamente. Il decadimento principale (98,798%) è in due fotoni:

$\pi^0\to2\gamma$.

Il secondo decadimento più importante (1,198%) è chiamato decadimento Dalitz in un fotone e una coppia elettrone positrone:

$\pi^0\to\gamma +e^+ +e^-$.

Previsione teorica della sua massa

Nel 1935 Yukawa ipotizzò l'esistenza del pione sulla base di un semplice ragionamento: l'interazione elettromagnetica, dovuta ad uno scambio di fotoni, è a lungo raggio, mentre l'interazione nucleare ha un raggio d'azione limitato (circa 1,3 fm). Il fisico giapponese si chiese, quindi, come si propagasse l'interazione e quale fosse la particella che la trasportasse (se aveva massa o meno come il fotone).

Ora, la lunghezza d'onda Compton del protone fornisce una sorta di raggio del protone:

$\frac{\hbar}{m_p c} = 0,2 fm$

e allo stesso modo si potrebbe fare la stessa cosa per la mediatrice dell'interazione nucleare:

$\frac{\hbar}{m_\pi c} = 1,3 fm$

A questa stima si arriva anche passando per il principio di indeterminazione di Heisenberg. Esso, infatti, recita:

$\Delta E \Delta t \ge \frac{\hbar}{2}$

Niente, però, vieta ad una particella che ha energia e tempo caratteristici di essere prossimi all'azione elementare, per cui, detti:

$\Delta E = m_\pi c^2 \,\!$

$\Delta t = \frac {r_0}{c}$

si ottiene la relazione di sopra, dove r₀ è il raggio del nucleo.

Sostituendo si ottiene una massa dell'ordine dei 140 MeV, compatibile con i dati sperimentali.

Il corrispondente potenziale, detto potenziale di Yukawa, è della forma:

$A \operatorname \frac {e^{-\frac {r}{r_0}}} {r}$

Bibliografia

• Review of Particle Physics - W-M Yao et al 2006 J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 33 1-1232 doi:10.1088/0954-3899/33/1/001
• J. Steinberger, W. K. H. Panofsky and J. Steller (1950). Evidence for the production of neutral mesons by photons. Physical Review 78: 802. doi:10.1103/PhysRev.78.802.

Voci correlate

• Forza nucleare forte
• Fisica delle particelle elementari
• Meccanica quantistica
• Lista delle particelle
• Bosoni pseudoscalari
• Bosone
• Kaone
• Mesone rho
• Mesone omega

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