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{{Dieser Artikel|erläutert das Teilchen. Das Artilleriegeschütz wird unter [[2S7]] erläutert.}}
{{Infobox Teilchen
|name= Pion (π+)
|klassifikation= [[Boson]] [[Hadron]] [[Meson]]
|hauptquelle= <ref name="PDG">Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: {{Internetquelle |autor=P.A.Zyla et al. ([[Particle Data Group]]) |url=https://pdg.lbl.gov/2020/tables/contents_tables.html |titel=2020 Review of Particle Physics |werk=Prog.Theor.Exp.Phys.2020,083C01(2020) |hrsg=Particle Data Group |sprache=en |abruf=2020-07-26}}</ref>
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'''Pionen''' oder '''<math>\pi</math>-Mesonen''' (früher auch als '''Yukawa-Teilchen''' bezeichnet, da von [[Hideki Yukawa]] vorhergesagt) sind die leichtesten [[Meson]]en und die leichtesten zusammengesetzten Systeme überhaupt. Sie enthalten nach dem [[Standardmodell]] der [[Teilchenphysik]] zwei [[Valenzquark]]s und werden daher heute meist nicht mehr als [[Elementarteilchen]] angesehen. Wie alle Mesonen sind sie [[Boson]]en, haben also einen ganzzahligen [[Spin]]. Ihre [[Parität (Physik)|Parität]] ist negativ.

Es gibt ein neutrales Pion <math>\pi^0</math> und zwei geladene Pionen: <math>\pi^+</math> und sein [[Antiteilchen]] <math>\pi^-</math>. Alle drei sind instabil und zerfallen durch [[Schwache Wechselwirkung|schwache]] oder [[Elektromagnetische Kraft|elektromagnetische Wechselwirkung]].

== Aufbau ==
Das <math>\pi^+</math> ist eine Kombination aus einem up-Quark <math>u</math> und einem Anti-down-Quark <math>\bar d</math> (Antiquarks werden durch einen Überstrich gekennzeichnet):
:<math>| \pi^+ \rangle = | u \bar d \rangle</math>,
sein Antiteilchen <math>\pi^-</math> eine Kombination aus einem down-Quark <math>d</math> und einem Anti-up-Quark <math>\bar u</math>:
:<math>| \pi^- \rangle = | d \bar u \rangle</math>.

Beide haben eine [[Masse (Physik)|Masse]] von 139,6 MeV/c². Die derzeit genauesten Messungen seiner Masse basieren auf [[Röntgen]]<nowiki />übergängen in [[Exotische Atome|exotischen Atomen]], die statt eines [[Elektron]]s ein <math>\pi^-</math> besitzen. Die [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des <math>\pi^{\pm}</math> beträgt 2,6 · 10−8 s.

Das <math>\pi^0</math> ist ein [[Superposition (Physik)#Quantenmechanik|quantenmechanischer Überlagerungszustand]] einer <math>u\bar u</math>- und einer <math>d\bar d</math>-Kombination, d. h. zweier [[Quarkonium|Quarkonia]]. Es gilt:
:<math>| \pi^0 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\Big[| u \bar u \rangle - | d \bar d \rangle \Big]</math>

während der dazu orthogonale Zustand, <math>\frac{1}{\sqrt{2}}\Big[| u \bar u \rangle + | d \bar d \rangle \Big]</math>, mit <math>| s \bar s \rangle</math> zu den [[Eta-Meson]]en mischt.

Seine Masse ist mit 135,0 MeV/c² nur geringfügig kleiner als die der geladenen Pionen.
Da es über die wesentlich stärkere elektromagnetische Wechselwirkung zerfällt, ist seine Lebensdauer mit 8,5 · 10−17 s etwa 10 Größenordnungen geringer.

Aufgrund einer frei wählbaren Phase können die drei [[Wellenfunktion]]en auch in der seltener verwendeten Form <math>| \pi^+ \rangle = | u \bar d \rangle</math>, <math>| \pi^- \rangle = -| \bar u d \rangle</math> und <math>| \pi^0 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\Big[| d \bar d \rangle - | u \bar u \rangle \Big]</math> geschrieben werden. Dies entspricht dann der Condon-Shortley-Konvention.<ref>D. Perkins: ''Hochenergiephysik.'' Addison-Wesley, 1991.</ref>

== Zerfälle ==
Die unterschiedlichen Lebensdauern von <math>\pi^\pm</math> und <math>\pi^0</math> sind durch die unterschiedliche Wechselwirkung, durch die sie zerfallen, begründet:

Die geladenen Pionen zerfallen zu 99,98770(4) % durch die Schwache Wechselwirkung in ein [[Myon]] und ein Myon-[[Neutrino]]:
:<math>\, \pi^+ \to \mu^+ + \nu_{\mu} </math>
:<math>\, \pi^- \to \mu^- + \overline{\nu}_{\mu} </math>
Der eigentlich energetisch günstigere Zerfall in ein [[Elektron]] und das dazugehörige Elektron-Neutrino ist aus [[Helizität]]sgründen stark unterdrückt ''(siehe: [[Helizität#Zerfall des Pions]])''.

Dagegen findet der Zerfall des neutralen Pions mittels der stärkeren und damit schnelleren elektromagnetischen Wechselwirkung statt. Endprodukte sind hier in der Regel zwei [[Photon]]en <math>\gamma</math>

:<math>\pi^0 \to 2 \gamma </math>

mit einer Wahrscheinlichkeit von 98,823(32) % oder ein [[Positron]] e+, ein Elektron e− und ein Photon

:<math>\pi^0 \to e^+ + e^- + \gamma </math>

mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,174(35) %.

Wegen seiner kurzen Lebensdauer von 8,5 · 10−17 s wird das neutrale Pion in Experimenten durch Beobachtung der beiden Zerfallsphotonen in [[Koinzidenz#Experimentalphysik|Koinzidenz]] nachgewiesen.

== Forschungsgeschichte ==
[[Datei:Yukawa.jpg|mini|Hideki Yukawa (1949)]]
Das Pion wurde schon 1934/35 als Austauschteilchen der Kernkraft von [[Hideki Yukawa]] in Japan vorhergesagt,<ref>Yukawa: ''On the interaction of elementary particles I.'' In: ''Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan.'' 3. Serie, Band 17, 1935, S. 48–57.</ref> der dafür 1949 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Das erste „Meson“, zunächst für das Yukawa-Teilchen gehalten und später als [[Myon]] bezeichnet, fanden [[Carl D. Anderson]] und [[Seth Neddermeyer]] 1936 in der [[Höhenstrahlung]] („Meson“ war damals die Bezeichnung für jedes geladene Teilchen schwerer als ein Elektron, aber leichter als ein [[Proton]]). Die Abgrenzung zum Pion schälte sich erst in den 1940er Jahren heraus (zuerst postuliert von Yasutaka Tanikawa und [[Shoichi Sakata]] in Japan 1942). Die Blau-Methode (entwickelt von [[Marietta Blau]] in den 1930er-Jahren), eine Technik zur Messung von Teilchenbahnen in fotografischen Emulsionen, war entscheidend für die spätere Entdeckung des Pions. Blau hatte bereits die Spuren von kosmischer Strahlung in Fotoplatten dokumentiert, doch ihre Arbeit wurde zunächst nicht anerkannt. Erst Cecil Powell, Giuseppe Occhialini und César Lattes nutzten ihre Methode (und entwickelten sie weiter), um 1947 Pionen in der Höhenstrahlung nachzuweisen. Powells Nobelpreis 1950 würdigte zwar die Entdeckung, nicht jedoch Blaus Pionierrolle, die erst in den 1980er-Jahren durch feministische Wissenschaftshistorikerinnen wieder in den Fokus rückte.<ref>dpg_blau: Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG): *„Quantengphysikerinnen von den Anfängen bis heute“* (2025).</ref><ref>uni_frankfurt_blau: Vergessene Pionierin der Kernphysik</ref> [[Cecil Powell]], [[Giuseppe Occhialini]] und [[César Lattes]] am H. H. Wills Physical Laboratory in Bristol entdeckten 1947 in der Höhenstrahlung neben Myonen auch Pionen<ref>C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini, C. F. Powell: ''Processes involving charged mesons.'' In: ''Nature.'' Band 159, 1947, S. 694–697.</ref> und untersuchten ihre Eigenschaften.<ref>C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini, C. F. Powell: ''A determination of the ratio of the masses of pi-meson and mu-meson by the method of grain-counting.'' In: ''Proceedings of the Physical Society.'' Band 61, 1948, S. 173–183.</ref> Powell erhielt dafür 1950 den Nobelpreis für Physik. Das <math>\pi^-</math> war allerdings, wie erst später bekannt wurde, 1947 schon etwas früher von [[Donald H. Perkins]] in der Höhenstrahlung entdeckt worden. 1948 wurden Pionen erstmals künstlich in Beschleunigern nachgewiesen (Lattes).

== Massenvergleich mit Nukleonen ==
Beim Vergleich der Massen der Pionen, die jeweils aus zwei Quarks bestehen (Mesonen), mit den Massen des [[Proton]]s und des [[Neutron]]s (der [[Nukleon]]en), die beide aus jeweils drei Quarks bestehen ([[Baryon]]en), fällt auf, dass Proton und Neutron jeweils weit schwerer sind als die Pionen: ihre Masse ist nicht 1,5-mal, sondern rund 7-mal so groß wie die Pionmasse. Die Masse eines Protons oder eines Neutrons ergibt sich also ''nicht'' durch bloßes Addieren der Massen ihrer drei [[Stromquark]]s, sondern zusätzlich durch die Anwesenheit der für die Bindung der Quarks zuständigen [[Gluon]]en und der sogenannten [[Seequarks]]. Diese [[Virtuelles Teilchen|virtuellen]] Quark-Antiquark-Paare entstehen und vergehen im Nukleon in den Grenzen der [[Heisenbergsche Unschärferelation|Heisenbergschen Unschärferelation]] und tragen zur beobachteten [[Konstituentenquark]]masse bei.

Eine Erklärung für die weitaus geringere Masse liefert das [[Goldstone-Theorem]]: Die Pionen sind die Quasi-Goldstone-Bosonen der [[Spontane Symmetriebrechung|spontan]] (und darüber hinaus explizit) gebrochenen [[Chirale Symmetrie|chiralen Symmetrie]] in der [[Quantenchromodynamik]].

== Das Pion-Austauschmodell ==
Die Pionen können die Rolle der [[Austauschteilchen]] übernehmen in einer [[Effektive Theorie|effektiven Theorie]] der [[Starke Wechselwirkung|Starken Wechselwirkung]], die die Bindung der Nukleonen im [[Atomkern]] beschreibt. (Dies ist analog zu den [[Van-der-Waals-Kräfte]]n, die zwischen neutralen Molekülen wirken, jedoch selbst auch keine elementare Kraft sind; vielmehr liegt ihnen die [[elektromagnetische Wechselwirkung]] zu Grunde.)

Diese zuerst von [[Hideki Yukawa]] und [[Ernst Carl Gerlach Stueckelberg|Ernst Stueckelberg]] vorgeschlagene Theorie ist zwar nur innerhalb eines begrenzten Energiebereiches gültig, erlaubt darin aber einfachere Berechnungen und anschaulichere Darstellungen. Beispielsweise kann man die von den Pionen vermittelten Kernkräfte durch das [[Yukawa-Potential]] kompakt darstellen. Die Kernkraft hat bei kleinen Abständen abstoßenden Charakter (hauptsächlich über [[ω-Meson]]en vermittelt), bei mittleren Abständen wirkt es stark anziehend (aufgrund von 2-Mesonen-Austausch, analog zum 2-Photonen-Austausch der [[Van-der-Waals-Kräfte]]), und bei großen Abständen zeigt es exponentiell abklingenden Charakter (Austausch einzelner Mesonen). Entsprechend diesen Termen werden für kernphysikalische Berechnungen phänomenologische „realistische“ Potentiale konstruiert wie das Bonn-Potential, mit Parametern, die an Nukleonen-Streuexperimente angepasst werden (siehe [[Starke Wechselwirkung#Bindung zwischen Nukleonen]]).

=== Reichweite ===
In diesem Austauschmodell folgt die endliche Reichweite der Wechselwirkung zwischen den Nukleonen aus der von Null verschiedenen Masse der Pionen. Die maximale Reichweite <math>r_0</math> der Wechselwirkung kann abgeschätzt werden über
* die Beziehung <math>r_0 = c \cdot t</math>,
* die [[Energie-Zeit-Unschärferelation]] <math>\Delta t \Delta E \ge \frac \hbar {2} \quad \Leftrightarrow \quad \Delta t \ge \frac \hbar {2\Delta E} \quad \left(\Rightarrow r_0 = c \cdot \frac \hbar {2E}\right)</math>,
* Einsteins Äquivalenz von Energie und Masse <math>E=mc^2 \quad \Leftrightarrow \quad \frac c E = \frac 1 {mc}</math>, zu:
: <math>r_0 = \frac{\hbar}{2mc}</math>
Sie liegt in der Größenordnung der [[Compton-Wellenlänge]] des Austauschteilchens. Im Fall der Pionen kommt man auf Werte von wenigen [[Meter#Dezimale Vielfache|Fermi]] (10−15 m). Diese im Vergleich zur Kernausdehnung kurze Reichweite spiegelt sich in der konstanten [[Bindungsenergie]] pro Nukleon wider, die wiederum Grundlage für das [[Tröpfchenmodell]] darstellt.

=== Beispielprozess ===
[[Datei:Pionaustauschmodell.png|mini|hochkant=1.2|Austausch eines virtuellen Pions zwischen Proton und Neutron]]
Als Beispiel soll der Austausch eines geladenen Pions zwischen einem Proton und einem Neutron beschrieben werden:
# Ein u-Quark löst sich aus dem Proton.
# Wegen des [[Confinement]]s können keine freien Quarks existieren. Daher bildet sich ein d-d-Paar.
# Das d-Quark verbleibt im ehemaligen Proton und macht aus ihm ein Neutron. Das u-Quark und das {{Overline|d}}-Quark bilden ein freies π+-Meson.
# Dieses Meson trifft auf ein Neutron. Ein d-Quark des Neutrons annihiliert mit dem {{Overline|d}}-Quark des π+-Meson.
# Die Ausgangssituation ist wiederhergestellt, es verbleiben ein Proton und ein Neutron.

== Siehe auch ==
{{Commonscat|Pions|Pion}}
* [[Liste der Mesonen]]

== Literatur ==
* W-M Yao u. a.: ''Review of Particle Physics.'' In: ''Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics.'' 33, 2006, S. 1–1232, [[doi:10.1088/0954-3899/33/1/001]].
* J. Steinberger, W. Panofsky, J. Steller: ''Evidence for the Production of Neutral Mesons by Photons.'' In: ''Physical Review.'' 78, 1950, S. 802–805, [[doi:10.1103/PhysRev.78.802]]. (Nachweis des neutralen Pions).

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Meson]]

Pion - Versionsgeschichte

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