파이온

파이온 (Pion)은 중간자(介子, meson)의 일종으로, 쿼크와 반쿼크로 구성된 복합 입자이다. 강한 상호작용을 매개하는 역할을 하며, 핵력의 중요한 구성 요소이다. 세 종류의 파이온이 존재하며, 각각 다른 전하를 띤다:

• π⁺ (파이 플러스): 양전하 (+1e)를 띤다.
• π⁻ (파이 마이너스): 음전하 (-1e)를 띤다. π⁺의 반입자이다.
• π⁰ (파이 제로): 전하를 띠지 않는다 (0e). 자신의 반입자이다.

파이온은 1947년 세실 파월(Cecil Powell) 연구팀에 의해 우주선(宇宙線, cosmic ray) 연구 중 발견되었다. 유카와 히데키(湯川秀樹)가 핵력을 설명하기 위해 예측했던 중간자가 바로 파이온이다.

특성:

• 구성: 위 쿼크(u)와 아래 쿼크(d) 및 그 반쿼크로 구성된다. 예를 들어, π⁺는 u와 d̄, π⁻는 d와 ū, π⁰는 ūu 또는 d̄d의 중첩 상태로 표현될 수 있다.
• 질량: π⁺와 π⁻는 질량이 거의 같으며, 약 139.57 MeV/c²이다. π⁰의 질량은 약 134.98 MeV/c²로 약간 더 가볍다.
• 수명: π⁺와 π⁻의 평균 수명은 약 2.6 × 10⁻⁸ 초이다. π⁰는 전자기 상호작용을 통해 빠르게 붕괴하며, 평균 수명은 약 8.4 × 10⁻¹⁷ 초이다.
• 붕괴: 파이온은 주로 약한 상호작용이나 전자기 상호작용을 통해 붕괴한다. π⁺와 π⁻는 주로 뮤온과 뮤온 중성미자로 붕괴하며, π⁰는 주로 두 개의 광자(감마선)로 붕괴한다.
• 역할: 파이온은 핵자(양성자, 중성자) 사이의 핵력을 매개하는 중요한 역할을 한다. 유카와 퍼텐셜은 파이온 교환을 통해 핵력이 작용하는 것을 설명한다.

파이온은 입자 물리학에서 중요한 역할을 하며, 강한 상호작용과 핵력 연구에 필수적인 입자이다. 고에너지 물리학 실험에서 널리 생성되고 연구된다.