Pionen ist die leichtesten der als Mesonen bezeichneten Elementarteilchen. Es gibt ein neutrales Pion, π0, und ein geladenes Pion (und sein Antiteilchen), π+ bzw. π-. Beide Pionen sind instabil, und zerfallen.
Pionen sind die einzigen Mesonen, die ausschließlich aus den beiden leichtesten Quarks, dem u-Quark und dem d-Quark, bestehen.
Das π+ ist eine ud-Kombination, sein Antiteilchen, das π- eine du-Kombination (Antiquarks sind unterstrichen dargestellt). Es hat eine Ruhemasse von 139,6 MeV/c2, bei einer Lebensdauer von 2,6 × 10-8 s.
Das π0 ist ein quantenmechanischer Überlagerungszustand einer uu- und einer dd-Kombination. Seine Ruhemasse ist mit 135,0 MeV/c2 geringfügig kleiner, hat aber eine deutlich kürzere Lebensdauer von nur 0,83 × 10-16>/sup> s.
Aufgrund dieser Zusammensetzungen sieht man, dass Pionen Bosonen sind. Weiterhin besitzen Pionen eine negative Parität.
Die unterschiedlichen Lebensdauern sind in der unterschiedlichen Zerfallsprozessen begründet: Das (negativ) geladene Pion zerfällt durch die (langsame) Schwache Wechselwirkung in ein Myon und ein Antimyonneutrino (das positive geladene Pion in ein Antimyon und ein Myonneutrino).
Dagegen findet der Zerfall des neutralen Pions mittels der (schnellen) starken Wechselwirkung statt. Endprodukte sind hier ein Elektron, ein Positron und ein Photon (Gammastrahlung).
Wenn man die Masse dieser 2-Quark Systeme mit denen von Proton oder Neutron (3-Quark Systeme) vergleicht, fällt auf, dass das Proton nicht 50% schwerer ist, wie man naiv erwarten würde, wenn man die Masse als Masse der Quark-Bestandteile aufaddieren könnte. Vielmehr ist die Protonenmansse gut 6 mal so groß wie die Pionenmasse. Dieses ist ein Beispiel dafür, dass (dynamische) Bindungsenergie, hier im Falle des Protons, nach Aussen als Masse sichtbar wird.
Atomkernbeschreibung
Heute ist bekannt, dass die Starke Wechselwirkung die Bindung der Nukleonen im Atomkern bewirkt. Nach der derzeit als korrekt betrachteten Theorie, der Quantenchromodynamik, findet die Wechselwirkung durch Gluonen statt. Allerdings kann man eine so genannte Effektive Theorie zur Atomkernwechselwirkung formulieren (Sigma-modell), in der die Pionen die Rolle der Wechselwirkungsträger übernehmen. Diese zuerst von Hideki Yukawa 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 Yukawapotential kompakt darstellen.
Die Wechselwirkung findet statt, indem etwa ein geladenes Pion zwischen Proton und Neutron ausgetauscht wird, und diese dabei ineinander umwandelt.