Pion - Pion

Pion
Estructura de quarks pion.svg
La estructura de quarks del pión con carga positiva.
Composición
Estadísticas Bosónico
Familia Mesones
Interacciones Fuerte , débil , electromagnético y de gravedad.
Símbolo
π+
,
π0
, y
π-
Antipartícula
Teorizado Hideki Yukawa (1935)
Descubierto
Tipos 3
Masa
Vida media
Carga eléctrica
Carga de color 0
Girar 0
Isospin
Hipercarga 0
Paridad -1
Paridad C +1

En física de partículas , un pion (o un mesón pi , denotado con la letra griega pi :
π
) es cualquiera de las tres partículas subatómicas :
π0
,
π+
, y
π-
. Cada pión consta de un quark y un antiquark y, por tanto, es un mesón . Los piones son los mesones más ligeros y, en 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). Los piones cargados con mayor frecuencia se descomponen en muones y neutrinos de muones , mientras que los piones neutros generalmente se descomponen 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 los nucleones . Los piones no se producen en la desintegración radiactiva , pero comúnmente se encuentran en colisiones de alta energía entre hadrones . Los piones también son el resultado 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 de rayos cósmicos hadrónicos interactúan con la materia en la atmósfera de la Tierra. En 2013, la detección de rayos gamma característicos que se originan a partir de la desintegración de piones neutros en dos remanentes de supernovas ha demostrado que los piones se producen copiosamente después de las supernovas, muy probablemente junto con la producción de protones de alta energía que se detectan en la Tierra como rayos cósmicos.

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 .

Historia

Una animación de la interacción de la fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual). Los pequeños discos dobles de colores son gluones. Para la elección de los anticolores, consulte Carga de color § Rojo, verde y azul .
El mismo proceso que en la animación con los componentes de los quarks individuales que se muestran, para ilustrar cómo la interacción fuerte fundamental da lugar a la fuerza nuclear. Las líneas rectas son quarks, mientras que los bucles multicolores son gluones (los portadores de la fuerza fundamental). No se muestran otros gluones, que unen el protón, el neutrón y el pión "en vuelo".

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 (inferida del radio del núcleo atómico ), Yukawa predijo la existencia de una partícula con una masa de aproximadamente 100 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 de 106 MeV / c 2 . Sin embargo, experimentos posteriores mostraron que el muón no participó en la fuerte interacción nuclear. En la terminología moderna, esto hace que el muón sea un leptón y no un mesón. Sin embargo, algunas comunidades de astrofísicos continúan llamando al muón "mu-mesón". 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 gracias a la colaboración dirigida 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. Dado que el advenimiento 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 . Se colocaron emulsiones fotográficas basadas en el proceso de gelatina-plata 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 golpearon 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. Marietta Kurz fue la primera persona en detectar las inusuales pistas de "doble mesón", características de un pión que se descompone en un 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 descomposición de los piones que aparecieron en el documento de descubrimiento. Ambas mujeres están acreditadas en las leyendas de las figuras del artículo.

En 1948, Lattes , Eugene Gardner , y su equipo primero produce artificialmente piones en la Universidad de California 's ciclotrón en Berkeley, California , mediante el bombardeo de carbono los átomos con alta velocidad de las partículas alfa . Riazuddin llevó a cabo un trabajo teórico avanzado adicional , quien en 1959 utilizó la relación de dispersión para la dispersión de Compton de fotones virtuales en piones para analizar su radio de carga.

Los Premios Nobel de Física fueron otorgados a Yukawa en 1949 por su predicción teórica de la existencia de mesones y a Cecil Powell en 1950 por desarrollar y aplicar la técnica de detección de partículas utilizando emulsiones fotográficas .

Dado que el pión neutro no está cargado eléctricamente , es más difícil de detectar y observar que los piones cargados. Los piones neutrales no dejan huellas en las emulsiones fotográficas o en las cámaras de nubes Wilson . La existencia del pión neutro se infirió al observar sus productos de desintegración a partir de los rayos cósmicos , un llamado "componente blando" de electrones lentos con fotones. los
π0
fue identificado definitivamente en el ciclotrón de la Universidad de California en 1950 al observar su descomposición en dos fotones. Más tarde, ese mismo año, también se observaron en experimentos con globos de rayos cósmicos en la Universidad de Bristol.

... ¿Sabes cómo eligió Yukawa esta letra griega π? Es por un carácter chino. En chino ... este carácter 介 significa mediar. Y entonces Yukawa obviamente pensó en el mesón como un mediador entre los nucleones.

Posibles aplicaciones

El uso de piones en radioterapia médica, como para el cáncer, se exploró en varias instituciones de investigación, incluida la Instalación de Física Mesón del Laboratorio Nacional de Los Alamos , que trató a 228 pacientes entre 1974 y 1981 en Nuevo México , y el TRIUMF laboratorio en Vancouver, Columbia Británica .

Resumen teórico

En la comprensión estándar de la interacción de fuerza fuerte tal como la define la cromodinámica cuántica , los piones se representan vagamente como bosones de Goldstone de 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, podría hacer que la simetría quiral sea 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) demostraron que el cuadrado de la masa del pión es proporcional a la suma de las masas de los quarks multiplicada por el condensado del quark :, con el condensado del quark. Esto a menudo se conoce como la relación GMOR y muestra explícitamente que en el límite de quarks sin masa. El mismo resultado también se deriva de la holografía Light-front .

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 m πvm q / f π m q 45 MeV, donde m q son las masas de quarks de corriente relevantes en MeV, alrededor de 5-10 MeV.

Se puede pensar en el pión como una de las partículas que median la fuerte interacción residual entre un par de nucleones . Esta interacción es atractiva: une a los nucleones. Escrito en una forma no relativista, se llama el potencial 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 , 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 anti-quarks se transforman según la representación conjugada 2 * .

Con la adición del quark extraño , los piones participan en una simetría de sabor SU (3) más grande, 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 del vector axial y participan así en la anomalía quiral .

Propiedades básicas

Los piones, que son mesones con spin cero , están compuestos por quarks de primera generación . En el modelo de quark , un quark up y un quark anti- down forman un
π+
, mientras que un quark down y un quark anti-
up componen el
π-
, y estas son las antipartículas entre sí. El pion neutro
π0
es una combinación de un quark up con un quark anti-up o un quark down con un quark anti-down. Las dos combinaciones tienen números cuánticos idénticos y, por lo tanto, solo se encuentran en superposiciones . La superposición de energía más baja de estos es el
π0
, que es su propia antipartícula. Juntos, los piones forman un triplete de isospin . Cada pión tiene isospin ( I  = 1) e isospin de tercer componente
igual a su carga ( I z  = +1, 0 o −1).

El pión cargado se desintegra

Diagrama de Feynman de la desintegración del pión leptónico dominante.

los
π±
los mesones tienen una masa de139,6  MeV / c 2 y una vida media de2,6033 × 10 −8  s . Se descomponen debido a la interacción débil . El modo de desintegración primario de un pión, con una fracción ramificada de 0.999877, es una desintegración leptónica en un muón y un neutrino muón :


π+

μ+
+
ν
μ

π-

μ-
+
ν
μ

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:


π+

mi+
+
ν
mi

π-

mi-
+
ν
mi

La supresión del modo de desintegración electrónico con respecto al muónico se da aproximadamente (hasta un pequeño porcentaje de 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 spin cero; por lo tanto, el leptón y el antineutrino deben emitirse con espines opuestos (y momentos lineales opuestos) para preservar el espín cero neto (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 ha dejado la quiralidad , 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 giro en la dirección de su momento lineal (es decir, también diestro). Sin embargo, si los leptones no tuvieran masa, solo 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 lo tanto, la supresión del canal de desintegración de electrones proviene del hecho de que la masa del electrón es mucho más pequeña que la del muón. El electrón carece relativamente de masa en comparación con el muón y, por tanto, el modo electrónico está muy suprimido en relación con el muónico, prácticamente prohibido.

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 disposición diferente para el neutrino y el leptón cargado. Por lo tanto, incluso una interacción de conservación de la paridad produciría la misma supresión.

Las mediciones de la relación anterior se han considerado durante décadas una prueba de la universalidad de los leptones . Experimentalmente, esta relación es1,233 (2) × 10 −4 .

Más allá de las desintegraciones puramente leptónicas de los piones, también se han observado algunas desintegraciones leptónicas radiativas dependientes de la estructura (es decir, desintegración a los leptones habituales más un rayo gamma).

También se observa, solo 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 de electrones).


π-

π0
+
mi-
+
ν
mi

π+

π0
+
mi+
+
ν
mi

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 la perturbación quiral . Esta tasa está parametrizada por la constante de desintegración de piones ( ƒ π ), relacionada con la función de onda de superposición del quark y antiquark, que es aproximadamente130 MeV .

El pión neutro se desintegra

los
π0
mesón tiene una masa de 135,0 MeV / c 2 y una vida media de8,5 × 10 −17  s . Se desintegra a través de la fuerza electromagnética , lo que explica por qué su vida media es mucho menor que la del pión cargado (que solo puede desintegrarse a través de la fuerza débil ).

Decaimiento de piones neutros inducido por anomalías .

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


π0
2
γ
.

La decadencia
π0
→ 3
γ
(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 (que lleva el nombre de Richard Dalitz ), que es una desintegración de dos fotones con una conversión de fotón interna que da como resultado un fotón y un par electrón - positrón en el estado final:


π0

γ
+
mi-
+
mi+
.

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


π0

mi-
+
mi+
+
mi-
+
mi+
.

El cuarto modo de desintegración establecido más grande es el modo de desintegración leptónico inducido por bucle y, por lo tanto, suprimido (y además suprimido por helicidad ) ( BR e e =6,46 × 10 −8 ):


π0

mi-
+
mi+
.

También se ha observado que el pión neutro se descompone 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.

Piones

Nombre de la partícula

Símbolo de partículas

Símbolo de antipartícula

Contenido de Quark
Masa en reposo ( MeV / c 2 ) Yo G J P C S C B' Vida media ( s ) Comúnmente se desintegra a
(> 5% de las desintegraciones)
Pion
π+

π-

tu

D
139,570 39 ± 0,000 18 1 - 0 - 0 0 0 2,6033 ± 0,0005 × 10 −8
μ+
+
ν
μ
Pion
π0
Uno mismo 134,976 8 ± 0,000 5 1 - 0 - + 0 0 0 8,5 ± 0,2 × 10 −17
γ
+
γ

[a] ^ Reposición inexacta debido a masas de quarks distintas de cero.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

  • Medios relacionados con Pions en Wikimedia Commons
  • Mesones en el grupo de datos de partículas