Pion (natuurkunde)

Het pion of π-meson is een meson, dus bestaat uit een quark en een anti-quark. Het is subatomair deeltje, een hadron. Het komt in drie varianten voor: positief (+), negatief (–) en ongeladen (0). Het pion is in 1935 door Hideki Yukawa als overbrenger van de sterke kernkracht voorspeld, het werd aangenomen dat het pion het krachtdeeltje voor de Yukawa-potentiaal was. De geladen pionen zijn in 1947 door Cecil Powell in kosmische straling aangetoond en drie jaar later werd ook het neutrale pion waargenomen. Pionen ontstaan wanneer kosmische straling in de bovenste laag van de aardatmosfeer daar atomen raakt. De Indiase kernfysicus Biva Chowdhuri (1913–1991) heeft meegewerkt aan het onderzoek naar mesonen en zij heeft daarmee bijgedragen aan de ontdekking van de pionen.

De drie pionen onderscheiden zich door hun elektrische lading van elkaar, er is ook is een klein verschil in massa, maar in alle andere eigenschappen zijn ze gelijk. Het neutrale pion ${\displaystyle \pi ^{0}}$ heeft de laagste massa, 134,9766 ± 0,0006 MeV/c², terwijl het positief geladen pion ${\displaystyle \pi ^{+}}$ en het negatieve ${\displaystyle \pi ^{-}}$ zwaarder zijn: 139,57018 ± 0,00035 MeV/c². De massa ligt dus tussen die van een lepton, van bijvoorbeeld het elektron met 0,5 MeV/c², en die van een baryon, zoals het neutron van 940 MeV/c². Dit is de reden waarom men de naam meson, van het Griekse μέσος, mesos, voor midden, voor deze deeltjes heeft ingevoerd. De pionen zijn de lichtste mesonen.

Het pion is een samengesteld deeltje, dat uit een quark en een anti-quark bestaat. Alleen de lichtste twee typen quark, de upquark ${\displaystyle {\text{u}}}$ en de downquark ${\displaystyle {\text{d}}}$, komen in het pion voor: ${\displaystyle \pi ^{+}}$ is een gebonden toestand van ${\displaystyle {\text{u}}}$ en anti-${\displaystyle {\text{d}}}$, ${\displaystyle \pi ^{-}}$ is anti-${\displaystyle {\text{u}}}$ met ${\displaystyle {\text{d}}}$ en ${\displaystyle \pi ^{0}}$ is een gemengde toestand van ${\displaystyle {\text{u}}}$ en anti-${\displaystyle {\text{u}}}$ en ${\displaystyle {\text{d}}}$ en anti-${\displaystyle {\text{d}}}$. Het neutrale pion is het eigen antideeltje, terwijl de geladen pionen elkaars antideeltje zijn.

Het pion heeft spin 0, dus is een boson. Het blijft niet lang bestaan: de vervaltijd van ${\displaystyle \pi ^{+}}$ en ${\displaystyle \pi ^{-}}$ is (2,6033 ± 0,0005) × 10⁻⁸ seconde en ${\displaystyle \pi ^{0}}$ vervalt zelfs al na gemiddeld (8,4 ± 0,6) × 10⁻¹⁷ seconde. De geladen pionen vallen in 99,99% van de gevallen uiteen in een antimuon en een anti-muon-neutrino. De neutrale pionen vallen in 98,8% van de gevallen uiteen in twee fotonen en in bijna alle andere gevallen als een elektron, een positron en een foton.