Pi-Mesonen oder Pionen

Pionen sind die leichtesten Mesonen und etwa 260 mal so schwer wie das Elektron. Sie werden mit dem griechischen Symbol Pi bezeichnet und haben daher ihren Namen Pi-Mesonen oder kurz Pionen.

Pi-Mesonen und ein Eta-Meson

Diese Tabelle gibt einen Überblick über den Aufbau von Pionen.

Pionen kommen als neutrale und als positiv und negativ geladene Teilchen vor. Das negative Pi-Meson ist dabei das Antiteilchen des positiven Pi-Mesons. Das positive Pi-Meson besteht aus einem Up-Quark und einem Anti-Down-Quark, das negative aus Anti-Up- und Down-Quark. Das neutrale Pi-Meson ist eine quantenmechanische Mischung aus Up-/Anti-Up-Quarkpaar und Down-/Anti-Down-Quarkpaar.

Es gibt eine weitere Mischung dieser beiden Quark-Antiquark-Paare. Das ist das Eta-Meson (η).

Pionen als Kraftüberträger

Der Austausch von Pionen ist die einfachte Möglichkeit, den Zusammenhalt von Atomkernen zu erklären. Pi-Mesonen übertragen also die starke Kernkraft.

Man kann sich das so vorstellen, dass ein Neutron sich in ein Proton "verwandeln" kann, indem es ein negatives Pion abgibt. Dieses Pion wird sofort von einem benachbarten Proton aufgenommen und wandelt dieses in ein Neutron um. Proton und Neutron können so effektiv die Plätze tauschen, was in der Quantenmechanik zu einer anziehenden Kraft führt.

Mit dieser Überlegung hat Hideki Yukawa die Existenz von Mesonen vorausgesagt, wofür er 1949 den Nobelpreis erhielt. Heute weiß man, dass die Übertragung von Pionen nur eine Vereinfachung ist und die eigentlichen Überträger der starken Kernkraft die Gluonen sind.

Zerfall

Die geladenen Pionen zerfallen durch schwache Kernkraft und werden dabei in Leptonen umgewandelt. Der häufigste Zerfall des positiven Pions besteht darin, dass Up-Quark und Anti-Down-Quark in ein positives Anti-Myon und ein Myon-Neutrino zerfallen. Überträger dieser Umwandlung ist das positive W-Boson. Negative Pionen zerfallen durch das negative W-Boson zu einem Myon und einem Anti-Myonen-Neutrino.

Die ungeladenen Pionen zerfallen durch die elektromagnetische Kraft etwa eine Milliarde mal schneller. Solch ein neutrales Pion zerfällt fast immer in zwei Photonen.

Andere Mesonen

Es gibt auch schwerere Mesonen, die ebenfalls aus Up- und Down-Quarks aufgebaut sind. Diese zerfallen aber viel schneller und erzeugen dabei wieder Pionen. Ein Beispiel für Mesonen, die auch andere Quark enthalten sind die K-Mesonen.

Blogartikel

Am 13. März 2014 habe ich erklärt, warum es zwar ein viertes Pion aber kein neuntes Gluon gibt.

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Letzte Änderung: 16.03.2014