Pión

En física de partículas , un pión ( / ˈp aɪ.ɒn / , PIE -on ) o mesón pi , denotado con la letra griega pi (
π
), es cualquiera de 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, más generalmente, los hadrones más ligeros . Son inestables, ya que los piones cargados
π⁺
y
π⁻
desintegrarse después de una vida media de 26,033 nanosegundos (2,6033 × 10 ⁻⁸ segundos) y el pión neutro
π⁰
descomponiéndose después de una vida útil mucho más corta de 85 attosegundos (8,5 × 10 ⁻¹⁷ segundos). ^[1] Los piones cargados se desintegran con mayor frecuencia 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 vector , rho y omega , proporciona una explicación de la fuerza fuerte residual entre nucleones . Los piones no se producen en la desintegración radiactiva , pero sí en colisiones de alta energía entre hadrones . Los piones también resultan de algunos eventos de aniquilación 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 rayos cósmicos interactúan con la materia en la atmósfera de la Tierra. En 2013, la detección de rayos gamma característicos originados por la desintegración de piones neutros en dos remanentes de supernova ha demostrado que los piones se producen copiosamente después de las supernovas, muy probablemente en conjunción 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 la 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 . ^{[ cita requerida ]}

Historia

Animación de la interacción de la fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual). Los pequeños discos dobles de colores son gluones. Para la elección de anticolores, consulte Carga de color § Rojo, verde y azul .

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 a partir del radio del núcleo atómico ), Yukawa predijo la existencia de una partícula con una masa de aproximadamente100 MeV/ c ² . 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/ c ² . 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 siguen llamando al muón "mesón mu". ^{[ ¿según quién? ]} Los piones, que resultaron ser ejemplos de los mesones propuestos por Yukawa, se descubrieron más tarde: los piones cargados en 1947 y el pión neutro en 1950.

En 1947, los primeros mesones verdaderos, los piones cargados, fueron encontrados por la colaboración liderada por Cecil Powell en la Universidad de Bristol , en Inglaterra. El artículo del descubrimiento tuvo cuatro autores: César Lattes , Giuseppe Occhialini , Hugh Muirhead y Powell. ^[3] Dado que la aparición de los aceleradores de partículas aún no había llegado, las partículas subatómicas de alta energía solo se podían obtener a partir de los rayos cósmicos atmosféricos . Las emulsiones fotográficas basadas en el proceso de gelatina-plata se colocaron durante largos períodos de tiempo en sitios ubicados en montañas de gran altitud, primero en Pic du Midi de Bigorre en los Pirineos , y más tarde en Chacaltaya en la Cordillera de los Andes , donde las placas fueron alcanzadas 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 que detectó las inusuales huellas de "mesón doble", características de la desintegración de un pión en un muón , pero estaban demasiado cerca del borde de la emulsión fotográfica y se consideraron incompletas. Unos días después, Irene Roberts observó las huellas dejadas por la desintegración de un pión que aparecieron 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 piones artificialmente por primera vez en el ciclotrón de la Universidad de California en Berkeley, California , bombardeando átomos de carbono con partículas alfa de alta velocidad . Riazuddin realizó trabajos teóricos más avanzados , y en 1959 utilizó la relación de dispersión para la dispersión Compton de fotones virtuales sobre 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 rastros en emulsiones fotográficas o cámaras de nubes de Wilson . La existencia del pión neutro se dedujo a partir de la observación de sus productos de desintegración a partir de rayos cósmicos , un denominado "componente blando" de electrones lentos con fotones.
π⁰
Se identificaron definitivamente en el ciclotrón de la Universidad de California en 1949 al observar su desintegración en dos fotones. ^[6] Más tarde ese mismo año, también se observaron en experimentos con globos de rayos cósmicos en la Universidad de Bristol.

... Yukawa eligió la letra $π$ por su parecido con el carácter kanji介 [ kai ], que significa "mediar". Debido al concepto de que el mesón funciona como una partícula mediadora de fuerza fuerte entre hadrones. ^[7]

Posibles aplicaciones

El uso de piones en radioterapia médica, por ejemplo para el cáncer, se exploró en varias instituciones de investigación, incluidas las Instalaciones de Física de Mesones 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 .

Panorama teórico

En la interpretación estándar de la interacción de fuerzas fuertes , tal como la define la cromodinámica cuántica , los piones se representan vagamente como bosones de Goldstone con simetría quiral rota espontáneamente . Eso explica por qué las masas de los tres tipos de piones son considerablemente menores que las de los otros mesones, como los mesones escalares o vectoriales. Si sus quarks actuales fueran partículas sin masa, podrían hacer que la simetría quiral fuera exacta y, por lo tanto, el teorema de Goldstone dictaría que todos los piones tienen una 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 $B$ el condensado de quarks: Esto se conoce a menudo como la relación GMOR y muestra explícitamente que en el límite de quarks sin masa. El mismo resultado también se desprende de la holografía de frente de luz . ^[10] $M_{\pi}^{2}=(m_{u}+m_{d})B+{\mathcal {O}}(m^{2}),$ $B=\left\vert {\frac {\rm {\langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle }}{f_{\pi }^{2}}}\right\vert _{m_{q}\to 0}$ $M_{\pi}=0$

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] 45 MeV, donde $m$ $q$ son las masas de los quarks actuales relevantes en MeV, alrededor de 5−10 MeV. $m_{\pi}\approx {\tfrac {\sqrt {vm_{q}}}{f_{\pi}}}\approx {\sqrt {m_{q}}}$

El pión es una de las partículas que median la interacción fuerte residual entre un par de nucleones . Esta interacción es atractiva: atrae a los nucleones. Escrita en forma no relativista, se denomina potencial de Yukawa . El pión, al no tener espín, tiene una cinemática descrita por la ecuación de Klein-Gordon . En términos de la teoría cuántica de campos , el lagrangiano de la teoría de campos efectivos que describe la interacción pión-nucleón se denomina interacción de 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 isospín . La razón por la que hay tres piones,
π⁺
,
π⁻
y
π⁰
, es que se entiende que pertenecen a la representación triplete o a 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 a la corriente vectorial axial y, por lo tanto, participan en la anomalía quiral .

Propiedades básicas

Los piones, que son mesones con espín cero , están compuestos de quarks de primera generación . En el modelo de quarks , un quark up y un antiquark down forman un
π⁺
, mientras que un quark down y un antiquark up forman el
π⁻
, y éstas son las antipartículas una de la otra. El pión neutro
π⁰
es una combinación de un quark up con un antiquark up, o un quark down con un antiquark down. Las dos combinaciones tienen números cuánticos idénticos y, por lo tanto, solo se encuentran en superposiciones . La superposición de menor energía de estas es la
π⁰
, que es su propia antipartícula. Juntos, los piones forman un triplete de isospín . Cada pión tiene un isospín general ( $I = 1$ ) y un isospín de tercer componente igual a su carga ( $I z = +1, 0, -1$ ).

Los piones cargados se desintegran

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 primario de un pión, con una fracción de ramificación de 0,999877, es una desintegración leptónica en un muón y un neutrino muónico :

${\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \mu ^{ -}+{\overline {\nu }}_{\mu }\end{aligned}}$

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 antineutrino electrónico correspondiente . Este "modo electrónico" fue descubierto en el CERN en 1958: ^[11]

${\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow {\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow {\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}$

La supresión del modo de desintegración electrónica con respecto al muónico se da aproximadamente (hasta un pequeño porcentaje de efecto de las correcciones radiativas) por la relación de los anchos medios de las reacciones de desintegración pión-electrón y pión-muón,

$R_{\pi}=\left({\frac {m_{e}}{m_{\mu }}}\right)^{2}\left({\frac {m_{\pi }^{2}-m_{e}^{2}}{m_{\pi }^{2}-m_{\mu }^{2}}}\right)^{2}=1.283\times 10^{-4}$

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 solo al componente de quiralidad izquierda de los campos, el antineutrino siempre tiene quiralidad izquierda, lo que significa que es dextrógiro, ya que para 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 dextrógiro). Sin embargo, si los leptones no tuvieran masa, solo interactuarían con el pión en la forma levógira (porque para partículas sin masa la helicidad es lo mismo que la quiralidad) y este modo de desintegración estaría prohibido. Por lo tanto, la supresión del canal de desintegración del electrón proviene del hecho de que la masa del electrón es mucho menor que la del muón. El electrón es relativamente sin masa en comparación con el muón, y por lo tanto el modo electrónico está muy suprimido en relación con el muónico, virtualmente prohibido. ^[12]

Aunque esta explicación sugiere que la violación de la paridad es la causa de la supresión de la helicidad, la razón fundamental reside 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.

Durante décadas, las mediciones de la relación anterior se han considerado una prueba de la universalidad de los leptones . Experimentalmente, esta relación es1,233(2) × 10 ⁻⁴ . ^[1]

Más allá de las desintegraciones puramente leptónicas de piones, también se han observado algunas desintegraciones leptónicas radiativas dependientes de la estructura (es decir, la desintegración en 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 un neutrino electrónico).

${\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}$

La velocidad a la que se desintegran los piones es una cantidad importante en muchos subcampos de la física de partículas, como la teoría de perturbaciones quirales . Esta velocidad está parametrizada por la constante de desintegración de piones ( $f π$ ), relacionada con la superposición de la función de onda del quark y el antiquark, que es aproximadamente130 MeV . ^[13]

Desintegración de piones neutros

El
π⁰
El mesón tiene una masa de135,0 MeV/ c ² y una vida 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 solo puede desintegrarse mediante la fuerza débil ).

Desintegración de piones neutrales inducida por anomalías .

El dominante
π⁰
El modo de desintegración, con una relación de ramificación de BR _γγ = 0,98823 , se divide en dos fotones :

$\pi ^{0}\longrightarrow 2\ \gamma$

La decadencia
π⁰
→ 3
gamma
(así como la desintegración en cualquier número impar de fotones) está prohibida 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 _{γ e e} = 0,01174 ) es la desintegración Dalitz (llamada así por Richard Dalitz ), que es una desintegración de dos fotones con una conversión de fotones interna que da como resultado un fotón y un par electrón - positrón en el estado final:

$\pi ^{0}\longrightarrow \gamma +{\rm {e^{-}+e^{+}}}$

El tercer modo de desintegración más grande establecido ( BR _{2e2 e} = 3,34 × 10⁻⁵ ) es la desintegración doble Dalitz, en la que ambos fotones experimentan una conversión interna que conduce a una mayor supresión de la tasa:

$\pi ^{0}\longrightarrow {\rm {2\ e^{-}+2\ e^{+}}}$

El cuarto modo de desintegración más grande establecido es el modo de desintegración leptónica inducida por bucle y, por lo tanto, suprimida (y además suprimida por helicidad ) ( BR _{e e} = 6,46 × 10⁻⁸ ):

$\pi ^{0}\longrightarrow {\rm {e^{-}+e^{+}}}$

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 se omiten sus incertidumbres, pero están disponibles en la publicación citada.^[1]

^[a] ^ Maquillaje inexacto debido a masas de quarks distintas de cero. ^[15]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Gerald Edward Brown y AD Jackson, La interacción nucleón-nucleón (1976), North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9

Enlaces externos

Medios relacionados con Pions en Wikimedia Commons
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