Pion-Zerfall
Das geladene Pion (π⁺ oder π⁻) ist das leichteste Meson und zerfällt fast ausschließlich über die schwache Wechselwirkung in ein Myon und ein Neutrino. Die Unterdrückung des Zerfalls in ein Elektron statt eines Myons ist ein präziser Test der Lepton-Universalität und des Helizitätsprinzips – ein früher experimenteller Nachweis der V-A-Struktur der schwachen Kraft.
Das Pion besteht aus einem Quark-Antiquark-Paar (π⁺ = uᵈ̄). Im Zerfall annihilieren Quark und Antiquark über ein virtuelles W⁺-Boson. Das Elektron wird gegenüber dem Myon als Zerfallsprodukt um den Faktor ~8.000 unterdrückt – obwohl es leichter ist. Der Grund: die Helizitätsunterdrückung. Die schwache Kraft koppelt nur an linkshändige Teilchen (bzw. rechtshändige Antiteilchen). Ein masseloses Elektron hätte exakt definierte Helizität, was den Zerfall kinematisch verbietet. Das schwerere Myon verletzt diese Unterdrückung weniger stark.
Pionen entstehen in der Atmosphäre, wenn kosmische Strahlung (hauptsächlich Protonen) auf Luftmoleküle trifft. Die dabei erzeugten Pionen zerfallen in atmosphärische Myonen, die die Erde durchdringen und auf Meereshöhe messbar sind. Die Relativitätstheorie macht sich hier bemerkbar: Ohne Zeitdilatation würden die Myonen vor Erreichen der Erdoberfläche zerfallen – das Experiment mit kosmischen Myonen ist einer der ältesten direkten Beweise für die spezielle Relativitätstheorie.
In Teilchenbeschleunigern werden gezielt Pionen produziert, um Neutrino-Strahlen zu erzeugen. Am CERN (CNGS-Projekt) wurden Neutrinos von Genf nach Gran Sasso in Italien geschickt – 730 km durch die Erde. Diese Anlage ermöglichte Präzisionsmessungen von Neutrino-Oszillationen. Das OPERA-Experiment detektierte erstmals die Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tau-Neutrino, ein direkter Beweis für Neutrino-Masse und Mischung.