En física de partículas , un pión (o un mesón pi , denotado con la letra griega pi :
π
) es cualquiera de las tres partículas subatómicas :
π0
,
π+
, y
π−
. Cada pión está formado por un quark y un antiquark y, por tanto, es un mesón . Los piones son los mesones más ligeros y, de manera más general, los hadrones más ligeros . Son inestables, con los piones cargados.
π+
y
π−
decayendo después de una vida media de 26.033 nanosegundos (2,6033 × 10 −8 segundos), y el pión neutro
π0
decayendo después de una vida útil mucho más corta de 85 attosegundos (8,5 × 10 −17 segundos). [1] Los piones cargados con mayor frecuencia se desintegran en muones y neutrinos muónicos , mientras que los piones neutros generalmente se desintegran en rayos gamma .
El intercambio de piones virtuales , junto con los mesones vectoriales , rho y omega , proporciona una explicación para la fuerza fuerte residual entre nucleones . Los piones no se producen en la desintegración radiactiva , pero sí suelen producirse en colisiones de alta energía entre hadrones . Los piones también resultan de algunos eventos de aniquilación de materia-antimateria . Todos los tipos de piones también se producen en procesos naturales cuando los protones de rayos cósmicos de alta energía y otros componentes hadrónicos de los rayos cósmicos interactúan con la materia de la atmósfera terrestre. En 2013, la detección de rayos gamma característicos procedentes de la desintegración de piones neutros en dos restos de supernovas demostró que los piones se producen abundantemente después de las supernovas, muy probablemente junto con la producción de protones de alta energía que se detectan en la Tierra como rayos cósmicos. [2]
El pión también juega un papel crucial en cosmología, al imponer un límite superior a las energías de los rayos cósmicos que sobreviven a las colisiones con el fondo cósmico de microondas , a través del límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin .
El trabajo teórico de Hideki Yukawa en 1935 había predicho la existencia de mesones como partículas portadoras de la fuerza nuclear fuerte . A partir del rango de la fuerza nuclear fuerte (inferido del radio del núcleo atómico ), Yukawa predijo la existencia de una partícula con una masa de aproximadamente100 MeV / c2 . Inicialmente, después de su descubrimiento en 1936, se pensó que el muón (inicialmente llamado "mesón mu") era esta partícula, ya que tiene una masa de106 MeV/ c2 . Sin embargo, experimentos posteriores demostraron que el muón no participaba en la interacción nuclear fuerte. En la terminología moderna, esto convierte al muón en un leptón y no en un mesón. Sin embargo, algunas comunidades de astrofísicos continúan llamando al muón "mesón mu". [¿ según quién? ] Los piones, que resultaron ser ejemplos de los mesones propuestos por Yukawa, fueron descubiertos más tarde: los piones cargados en 1947 y el pión neutro en 1950.
En 1947, los primeros mesones verdaderos, los piones cargados, fueron encontrados gracias a la colaboración liderada por Cecil Powell en la Universidad de Bristol , en Inglaterra. El artículo de descubrimiento tuvo cuatro autores: César Lattes , Giuseppe Occhialini , Hugh Muirhead y Powell. [3] Dado que aún no había llegado la aparición de los aceleradores de partículas , las partículas subatómicas de alta energía sólo se podían obtener a partir de los rayos cósmicos atmosféricos . Emulsiones fotográficas basadas en el proceso gelatina-plata fueron colocadas durante largos períodos de tiempo en sitios ubicados en montañas de gran altitud, primero en el Pic du Midi de Bigorre en los Pirineos , y luego en Chacaltaya en la Cordillera de los Andes , donde se golpeaban las placas. por rayos cósmicos. Después del revelado, las placas fotográficas fueron inspeccionadas bajo un microscopio por un equipo de aproximadamente una docena de mujeres. [4] Marietta Kurz fue la primera persona en detectar las inusuales huellas de "doble mesón", características de un pión que se desintegra en muón , pero estaban demasiado cerca del borde de la emulsión fotográfica y se consideraron incompletas. Unos días más tarde, Irene Roberts observó las huellas dejadas por la desintegración de los piones que aparecían en el artículo del descubrimiento. Ambas mujeres aparecen acreditadas en los títulos de las figuras del artículo.
En 1948, Lattes , Eugene Gardner y su equipo produjeron por primera vez piones artificialmente en el ciclotrón de la Universidad de California en Berkeley, California , bombardeando átomos de carbono con partículas alfa de alta velocidad . Riazuddin llevó a cabo un trabajo teórico más avanzado , quien en 1959 utilizó la relación de dispersión para la dispersión Compton de fotones virtuales en piones para analizar su radio de carga. [5]
Dado que el pión neutro no está cargado eléctricamente , es más difícil de detectar y observar que los piones cargados. Los piones neutros no dejan huellas en emulsiones fotográficas ni en cámaras de niebla Wilson . La existencia del pión neutro se dedujo de la observación de sus productos de desintegración de los rayos cósmicos , el llamado "componente blando" de electrones lentos con fotones. El
π0
Fue identificado definitivamente en el ciclotrón de la Universidad de California en 1950 al observar su desintegración en dos fotones. [6] Más tarde, ese mismo año, también fueron observados en experimentos con globos de rayos cósmicos en la Universidad de Bristol.
... Yukawa eligió la letra π debido a su parecido con el carácter kanji de 介, que significa "mediar". Debido al concepto de que el mesón funciona como una partícula mediadora de fuerzas fuertes entre hadrones. [7]
El uso de piones en radioterapia médica, como para el cáncer, se exploró en varias instituciones de investigación, incluido el Meson Physics Facility del Laboratorio Nacional de Los Álamos , que trató a 228 pacientes entre 1974 y 1981 en Nuevo México , [8] y el laboratorio TRIUMF en Vancouver, Columbia Británica .
En la comprensión estándar de la interacción de fuerza fuerte definida por la cromodinámica cuántica , los piones se describen vagamente como bosones de Goldstone de simetría quiral espontáneamente rota . Eso explica por qué las masas de los tres tipos de piones son considerablemente menores que las de otros mesones, como los mesones escalares o vectoriales. Si sus quarks actuales fueran partículas sin masa, la simetría quiral podría ser exacta y, por lo tanto, el teorema de Goldstone dictaría que todos los piones tienen masa cero.
De hecho, Gell-Mann, Oakes y Renner (GMOR) [9] demostraron que el cuadrado de la masa del pión es proporcional a la suma de las masas de los quarks multiplicada por el condensado de quarks : , con el condensado de quarks. Esto a menudo se conoce como relación GMOR y lo muestra explícitamente en el límite de los quarks sin masa. El mismo resultado se desprende también de la holografía Light-front . [10]
Empíricamente, dado que los quarks ligeros en realidad tienen masas minúsculas distintas de cero, los piones también tienen masas en reposo distintas de cero . Sin embargo, esas masas son casi un orden de magnitud más pequeñas que las de los nucleones, aproximadamente [9] m π ≈√ vm q / f ·π ≈ √ m q 45 MeV, donde m q son las masas de quarks actuales relevantes en MeV, alrededor de 5-10 MeV.
El pión es una de las partículas que median la interacción fuerte residual entre un par de nucleones . Esta interacción es atractiva: junta los nucleones. Escrito de forma no relativista, se llama potencial de Yukawa . El pion, al no tener espín, tiene una cinemática descrita por la ecuación de Klein-Gordon . En términos de la teoría cuántica de campos , la teoría lagrangiana de campos efectivos que describe la interacción pión-nucleón se denomina interacción Yukawa .
Las masas casi idénticas de
π±
y
π0
indican que debe haber una simetría en juego: esta simetría se llama simetría de sabor SU(2) o isospin . La razón por la que hay tres piones,
π+
,
π−
y
π0
, es que se entiende que pertenecen a la representación triplete o la representación adjunta 3 de SU(2). Por el contrario, los quarks up y down se transforman según la representación fundamental 2 de SU(2), mientras que los antiquarks se transforman según la representación conjugada 2* .
Con la adición del quark extraño , los piones participan en una simetría de sabor más grande, SU(3), en la representación adjunta, 8 , de SU(3). Los otros miembros de este octeto son los cuatro kaones y el mesón eta .
Los piones son pseudoescalares bajo una transformación de paridad . Las corrientes de piones se acoplan así a la corriente vectorial axial y participan así en la anomalía quiral .
Los piones, que son mesones con espín cero , están compuestos por quarks de primera generación . En el modelo de quarks , un quark arriba y un antiquark abajo forman un
π+
, mientras que un quark down y un quark anti-up constituyen el
π−
, y estas son las antipartículas unas de otras. El pion neutral
π0
es una combinación de un quark arriba con un quark anti-arriba o un quark abajo con un quark anti-abajo. Las dos combinaciones tienen números cuánticos idénticos y, por tanto, sólo se encuentran en superposiciones . La superposición de menor energía de estos es la
π0
, que es su propia antipartícula. Juntos, los piones forman un triplete de isospin . Cada pion tiene isospin ( I = 1) y isospin de tercer componente igual a su carga ( I z = +1, 0 o −1).
El
π±
Los mesones tienen una masa de139,6 MeV/ c 2 y una vida media de2,6033 × 10 −8 s . Se desintegran debido a la interacción débil . El modo de desintegración principal de un pión, con una fracción de ramificación de 0,999877, es una desintegración leptónica en un muón y un neutrino muónico :
El segundo modo de desintegración más común de un pión, con una fracción de ramificación de 0,000123, es también una desintegración leptónica en un electrón y el correspondiente antineutrino electrónico . Este "modo electrónico" fue descubierto en el CERN en 1958: [11]
La supresión del modo de desintegración electrónica con respecto al muónico viene dada aproximadamente (hasta un pequeño porcentaje del efecto de las correcciones radiativas) por la relación de las medias anchuras de las reacciones de desintegración pión-electrón y pión-muón,
y es un efecto de giro conocido como supresión de helicidad .
Su mecanismo es el siguiente: El pión negativo tiene espín cero; por lo tanto, el leptón y el antineutrino deben emitirse con espines opuestos (y momentos lineales opuestos) para preservar el espín neto cero (y conservar el momento lineal). Sin embargo, debido a que la interacción débil es sensible sólo al componente de quiralidad izquierda de los campos, el antineutrino siempre ha tenido quiralidad de izquierda, lo que significa que es diestro, ya que para las antipartículas sin masa la helicidad es opuesta a la quiralidad. Esto implica que el leptón debe emitirse con espín en la dirección de su momento lineal (es decir, también hacia la derecha). Sin embargo, si los leptones no tuvieran masa, sólo interactuarían con el pión en la forma zurda (porque para las partículas sin masa la helicidad es lo mismo que la quiralidad) y este modo de desintegración estaría prohibido. Por tanto, la supresión del canal de desintegración de electrones se debe al hecho de que la masa del electrón es mucho menor que la del muón. El electrón tiene relativamente poca masa en comparación con el muón y, por tanto, el modo electrónico está muy suprimido en relación con el muónico, prácticamente prohibido. [12]
Aunque esta explicación sugiere que la violación de la paridad está causando la supresión de la helicidad, la razón fundamental radica en la naturaleza vectorial de la interacción que dicta una lateralidad diferente para el neutrino y el leptón cargado. Por lo tanto, incluso una interacción que conserve la paridad produciría la misma supresión.
Las mediciones de la relación anterior se han considerado durante décadas como una prueba de universalidad de los leptones . Experimentalmente, esta relación es1.233(2) × 10 −4 . [1]
Más allá de las desintegraciones puramente leptónicas de los piones, también se han observado algunas desintegraciones leptónicas radiativas dependientes de la estructura (es decir, desintegraciones de los leptones habituales más un rayo gamma).
También se observa, sólo para piones cargados, la muy rara " desintegración beta del pión " (con una fracción de ramificación de aproximadamente 10 −8 ) en un pión neutro, un electrón y un antineutrino electrónico (o para piones positivos, un pión neutro, un positrón). , y neutrino electrónico).
La velocidad a la que los piones se desintegran es una cantidad importante en muchos subcampos de la física de partículas, como la teoría de la perturbación quiral . Esta tasa está parametrizada por la constante de desintegración del pión (ƒ π ), relacionada con la superposición de la función de onda del quark y el antiquark, que es aproximadamente130 MeV . [13]
El
π0
El mesón tiene una masa de135,0 MeV/ c 2 y una vida útil media de8,5 × 10 −17 s . [1] Se desintegra mediante la fuerza electromagnética , lo que explica por qué su vida media es mucho menor que la del pión cargado (que sólo puede desintegrarse mediante la fuerza débil ).
El dominante
π0
El modo de desintegración, con una relación de ramificación de BR 2γ = 0,98823, es en dos fotones :
La decadencia
π0
→ 3γ(así como las desintegraciones en cualquier número impar de fotones) está prohibido por la simetría C de la interacción electromagnética: La paridad C intrínseca de la
π0
es +1, mientras que la paridad C de un sistema de n fotones es (−1) n .
El segundo más grande
π0
El modo de desintegración ( BR γe e = 0,01174 ) es la desintegración de Dalitz (llamada así en honor a Richard Dalitz ), que es una desintegración de dos fotones con una conversión interna de fotones que da como resultado un fotón y un par electrón - positrón en el estado final:
El tercer modo de desintegración establecido más grande ( BR 2e2 e =3,34 × 10 −5 ) es la desintegración de Dalitz doble, en la que ambos fotones sufren una conversión interna que conduce a una mayor supresión de la velocidad:
El cuarto modo de desintegración más grande establecido es el modo de desintegración leptónica inducido por bucle y, por lo tanto, suprimido (y además suprimido por helicidad ) ( BR e e =6,46 × 10-8 ) :
También se ha observado que el pión neutro se desintegra en positronio con una fracción de ramificación del orden de 10 −9 . No se han establecido experimentalmente otros modos de desintegración. Las fracciones de ramificación anteriores son los valores centrales de PDG y sus incertidumbres se omiten, pero están disponibles en la publicación citada. [1]
[a] ^ Composición inexacta debido a masas de quarks distintas de cero. [15]
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Medios relacionados con Pions en Wikimedia Commons