פאיון (Pion), או מזון פאי, הוא חלקיק תת-אטומי המכיל קוארק למעלה ואנטיקוארק למטה, או את האנטי-חלקיקים שלהם, או קוארקי למעלה או למטה יחד עם האנטי-חלקיקים של כל אחד מהם. לפיכך, קיימים שלושה סוגי פאיונים: π+ (פאיון חיובי), π- (פאיון שלילי) ו-π0 (פאיון נייטרלי). פאיונים הם המזונים הקלים ביותר ואף ההאדרונים הקלים ביותר. לצד מזונים אחרים, פאיונים הם הבוזונים הנושאים את הכוח הגרעיני, שהוא הכוח המחבר בין הנוקליאונים בגרעין האטום.
תכונות
לפאיון יש ספין של 0 וזוגיות שלילית, צירוף תכונות העושה אותו מזון פסאודוסקאלארי (pseudoscalar meson).
הפאיונים מכילים קוארקי דור ראשון. החלקיק π+ מכיל קוארק למעלה אחד ואנטיקוארק למטה אחד. החלקיק π- מכיל קוארק למטה אחד ואנטיקוארק למעלה אחד. π+ ו-π- הם האנטי-חלקיקים זה של זה.
הפאיונים חסרי הטעם, המכילים קוארק למעלה ואת האנטיקוארק שלו, או קוארק למטה ואת האנטיקוארק שלו, הם נייטרליים חשמלית. שני ההרכבים הקוארקיים הם בעלי אותם מספרים קואנטיים, כך שהם יכולים להימצא רק בסופרפוזיציה קוונטית זה עם זה. הפאיון הנייטרלי, π0, הוא האנטי-חלקיק של עצמו.
הפאיונים הטעונים, π±, הם בעלי מסה של 139.57061 MeV ואורך חיים של 2.6033×10-8 שניות. בכ-99.98% מהמקרים, הם דועכים, דרך הכוח החלש, למואון ולניוטרינו מואוני:[1]
- π+ → W+ → μ+ + νμ
- π- → W- → μ- + νμ
הפאיון הנייטרלי, π0, הוא בעל מסה של 134.977 MeV ואורך חיים של 8.52×10-17 שניות. נתון אורך חיים זה, הקצר מאוד לעומת הפאיונים הטעונים, נובע מכך ש-π0 דועך דרך הכוח האלקטרומגנטי, שהוא חזק בהרבה מהכוח החלש. בכ-98.82% מהמקרים, π0 דועך לשני פוטונים:[1]
- π0 → 2 γ
פאיונים, לצד מזוני רו ומזוני אומגה, הם הבוזונים הנושאים את הכוח הגרעיני, הקושר את הפרוטונים והנייטרונים לכדי גרעין האטום. על כן, מזונים אלו אחראים לקיומם של גרעיני כל האטומים ביקום הכבדים ממימן-1.
מזוני רו ואומגה הם מצבים מעוררים (excited states) של הפאיון. מזוני רו ואומגה מכילים את אותם קוארקי ערכיות כמו הפאיון, אלא שהספין שלהם הוא 1 והם נושאים כמות גדולה יותר של אנרגיית קשר כרומודינמית לעומת הפאיון, יחד עם הבדלים קואנטיים נוספים, כך שיש להם מסות גדולות יותר, של כ-775.26 MeV ו-782.65 MeV בהתאמה. אורכי החיים שלהם קצרים מאוד, בין 4.41×10-24 ל-7.75×10-23 שניות. ברוב המקרים, מזוני רו ואומגה דועכים, דרך הכוח החזק, לשני פאיונים.
היסטוריה
ב-1935, הידקי יוקאווה חזה תאורטית את קיומם של מזונים, בתור החלקיקים הנושאים את הכוח הגרעיני. תאוריה זו מכונה תורת יוקאווה. על תחזיתו זו קיבל יוקאווה את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1949.
ב-1947, פאיונים התגלו בניסוי, על ידי קבוצה שכללה את ססיל פאוול, סזאר לאטס וג'וזפה אוקיאליני מאוניברסיטת בריסטול. כפי שהיה נהוג באותה תקופה שלפני כניסת מאיצי החלקיקים לשימוש נרחב, הניסוי התבסס על קרניים קוסמיות. חברי הקבוצה הציבו לוחות צילומיים, מצופי תחליב גרעיני (nuclear emulsion) פרי פיתוחו של פאוול, על הרי הפירנאים ועל הרי האנדים, בגובה שנע בין כ-2,800 לכ-5,500 מטרים מעל פני הים. בחינה מיקרוסקופית של התחליב הגרעיני חשפה מסלולי חלקיקים טעונים, בהם נתגלה הפאיון. על תגליתו זו קיבל פאוול את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1950.
ראו גם
קישורים חיצוניים
הערות שוליים
