Pionen überall

Die geladenen Pionen wurden bereits 1947 in der Höhenstrahlung entdeckt. Sie gehören zu den am häufigsten beobachteten Teilchen. Das weist darauf hin, dass sie sehr wichtige Bausteine in der Struktur aller Teilchen und Kerne sind. Die Kenntnis ihrer Struktur ist deshalb vorrangig. Das finale Ergebnis der Strukturanalyse zeigt schließlich, dass geladene Pionen die häufigsten Teilchen beim strukturellen Aufbau der Kernmaterie sind.

Die ungeladenen Pionen

Es ist sinnvoll, die Struktur-Analyse der Pionen mit den ungeladener Pionen zu beginnen. Zunächst ihre Eigenschaften.

Name/Symbol ungeladenes Pion  π0
m (Masse π0) 135,0MeV
τ (Lebensdauer π0) 84*10-18s

Das ungeladene Pion hat im Gegensatz zur Mehrzahl auch der ungeladenen Teilchen kein Antiteilchen. Das muss diese Analyse erklären können. Auffallend ist auch die sehr kurze Lebensdauer dieses Teilchens. Trotzdem gelang sowohl sein Nachweis als auch der Nachweis noch kurzlebigerer Teilchen bis zu τ ≈ 10-23s. Es stellt sich durchaus die Frage, warum 'Quarks', selbst wenn sie nur  im Zusammenschluss (Confinement) existieren können sollten, wie es die Theorie als Schutzbehauptung postuliert, nicht zumindest indirekt nachweisbar sind.

Das Zerfallsverhalten der ungeladenen Pionen ist in nachfolgender Abbildung beschrieben. Es weist verblüffende Analogien zu dem wohlbekannten und definierten Positronium auf, also jenem Teilchen, dass beim Aufeinandertreffen eines Elektrons und eines Positrons kurzzeitig entsteht und dann zerstrahlt, wie es unter 2.1 dargestellt wurde.

Die Struktur des ungeladenen Pions wird in seinen Zerfallsmodi deutlich

(1) Dieser Zerfall erfolgt analog dem Zerfall des Positroniums: Es werden zwei Gammas freigesetzt. Die Zerfallsenergie des Pions ist höher, da seine Masse  mit 135MeV wesentlich über der des Positroniums mit nur 1MeV liegt.

(2) Es enteteht ein Elektron-Positron-Paar, was genau der Elementarstruktur des ungel. Pions entspricht. Es kann hier nicht entschieden werden, ob das e+e-Paar auseinanderfällt, bevor es zur Annihilatin kommt oder ob es aus einem der Gammas entsteht.

(3) Neben dem e+e-Paar analog Zerfall nach Gl.(2) entsteht ein zusätzliches Elektron-Positron-Paar aus einem Gamma bzw. der  Zerfallsenergie des Ausgangsteilchens.

Die Analogie zum Zerfalls-Verhalten des Positroniums lässt nur den Schluss zu, dass das ungeladene Pion auf elemantarer Ebene aus einem Positron und einem Elektron besteht. Seine Elementarstruktur, d.h. die Summe der strukturellen Positronen und Elektronen ist also: π0 = (e+e). Wie leicht zu erkennen, ist eine inverse Struktur nicht möglich, es gibt kein Antiteilchen!

Positronen und Elektronen befinden sich in der Teilchenstruktur nicht in ihrem Grundzustand, sondern in angeregter Form vor. Sie reagieren erst als Myonen zu den Teilchen, die beobachtet werden oder sie werden durch physikalische Prozesse aus den Teilchenstrukturen freigesetzt.

Die geladenen Pionen

Auch hier zunächst die Eigenschaften.

Name/Symbol geladenes Pion π+ ; π
Masse m 139,6MeV
Lebensdauer τ 26,0*10-9s

Die Masse liegt nur geringfügig über der des ungeladenen Pions, die Lebensdauer ist jedoch ≈300.000.000mal länger. Generell sind geladene Teilchen langlebiger als vergleichbare ungeladene Teilchen; es gibt kein direkt nachweisbares, d.h. wirklich existierendes ungeladenes Teilchen, das stabil wäre!

Die Zerfallsmodi geladener Pionen

(1.1) Zerfall in ein positives Myon, also in ein angeregtes Positron und 30MeV Energie. Häufigkeit 99,99% der Zerfälle. Masse des Myons (105,7MeV) und die Energiebilanz dieses Zerfalls liegen sehr dicht am Ausgangswert des zerfallenden Teilchens.

(1.2) Zerfall in ein Positron. Es wird ein wesentlich größerer Energiebetrag frei als bei Zerfall (1.1). Hohe Masse und/oder Teilchenenergie erzwingt mehr oder angeregte Zerfallsprodukte.

(2.1) Zerfall in ein Positron und ein e+e-Paar.

(2.2) Analoger Zerfall zu (2.1). Das e+e-Paar bildet ein ungeladenes Pion.

 

Die Masse des geladenen Pions liegt nur etwa 34MeV über der Masse des Myons. Diese 34MeV erlauben nur die gelegentliche Entstehung von zusätzlichen e+e-Paaren. Es treten anscheinend keine Zerfallsmodi auf, bei denen mehr Teilchen freigesetzt werden, als es der Elementarstruktur entspricht. Beim Kaon (siehe Seite 5) ist diese Massedifferenz wesentlich größer und es werden sehr viel mehr Zerfälle mit zusätzlichen Teilchen beobachtet.

Den geladenen Pionen muss folgende Elementarstruktur zugeordnet werden:

   π+ = (2e+ 1e)       π = (1e+ 2e)

Die inverse Struktur ist ersichtlich, was durch die Existenz von Teilchen und Antiteilchen bestätigt wird.

 

Die Gesetzmäßigkeiten beim Aufbau der Teilchenstrukturen

Bereits nach diesen Analysen der Struktur leichter Teilchen lassen sich Regeln bzw. Gesetzmäßigkeiten erkennen: Es zeichnet sich eine Ordnung nach der Anzahl der strukturellen Positronen und Elektronen ab, hier als 'Elementarstruktur' bezeichnet. Als Schreibweise wird die Anzahl der der Positronen und Elektronen in runden Klammern angegeben.

Tabelle 5.2: Regelmäßigkeiten der elementaren Teilchenstruktur - elementarstrukturelle Klassen

einfach positiv ungeladen einfach negativ zuzuordnende Teilchen
(1e+ 0e)   (0e+ 1e) Myonen
  (1e+ 1e)   ungeladene Pionen
(2e+ 1e)   (2e+ 1e) geladene Pionen
  (2e+ 2e)   ungeladene Kaonen
(3e+ 2e)   (2e+ 3e) geladene Kaonen
  (3e+ 3e)   Omega782
(4e+ 3e)   (3e+ 4e) Protonen
  (4e+ 4e)   Neutronen

Die rot in die Tabelle eingetragenen Teilchen sind noch zu analysieren. Wenn hier von der 'Elementarstruktur' gesprochen wird, muss darauf hingewiesen werden, dass es auch eine 'Substruktur' der Teilchen gibt. Beim Zerfall von Teilchen und den Kernzertrümmerungen werden primär nicht Positronen und Elektronen, sondern Myonen, Pionen und Kaonen beobachtet. Diese sind die Subteilchen, zu denen sich Positronen und Elektronen zusammenschließen, um erst dann größere und in manchen Fällen auch stabile Teilchen auszubilden. So führt die Analyse der Proton-Antiproton-Reaktion zum Schluss, dass das Proton die Substruktur p = [ {π+ π} 2μ+] besitzt. Die gewählte Schreibweise wird später noch erläutert.

Es liegt auf der Hand, dass mit Ansteigen der Teilchenzahlen in den elementarstrukturellen Klassen Wiederholungen von Strukturmerkmalen auftreten können, vergleichbar mit dem Periodensystem der chemischen Elemente (PSE). Hier führt das Anwachsen der Elektronenzahl in der Hülle periodisch zu strukturellen Ähnlichkeiten. Es gibt keine per-se-Eigenschaften von Atomen, sondern deren Eigenschaften sind strukturbedingt. Wo gegenwärtig die Teilchenphysiker mit den per-se-Eigenschaften von 'Quarks' (Charm, Strangenes, ...) versuchen, die erkennbaren Ordnungsprinzipien theoretisch in den Griff zu bekommen, liegt tatsächlich ein durch die Teilchestruktur begründete Ordnung vor, genau wie die Ordnung des PSE durch die Struktur der Atomhülle vorgegeben wird.

Wenn vor 500 Jahren Feuer, Wasser, Luft und Erde, heiß und kalt und feucht und dürr des Alchemisten Horizont begrenzten, so sind heutzutage 'Quark' mit up und down und top und strange, bottom und auch charmed die geistige Nahrung des Wissenschaftlers an der Grenze der Erkenntnis.

Diese Seite wird weiterbearbeitet, es sind also noch gewisse Änderungen zu erwarten. Allerdings vermittelt sie selbst dem Laien eine profundere Kenntnis über die Physik der Teilchen und Kerne als es die "Experten" am CERN besitzen.