Pión

En física de partículas , un pión ( / ˈ p aɪ . ɒ n / , PIE -ón ) o mesón pi , denotado con la letra griega pi ( π ), es cualquiera de las tres partículas subatómicas : π ⁰, π ⁺y π ⁻Cada pión consta de un quark y un antiquark y, por lo 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 ⁻descomponiéndose después de una vida media de 26,033 nanosegundos ( 2,6033 × 10 ⁻⁸  segundos), y el pión neutro π ⁰desintegrándose tras una vida útil mucho más corta de 85 attosegundos ( 8,5 × 10 ⁻¹⁷  segundos). ^{[ 2 ]} 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 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 comúnmente 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 terrestre . En 2013, la detección de rayos gamma característicos originados por la desintegración de piones neutros en dos remanentes de supernovas demostró que los piones se producen abundantemente después de las supernovas, muy probablemente en conjunto con la producción de protones de alta energía que se detectan en la Tierra como rayos cósmicos. ^{[ 3 ]}

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 . ^{[ 4 ]}

El trabajo teórico de Hideki Yukawa en 1935 predijo la existencia de mesones como partículas portadoras de la fuerza nuclear fuerte . ^{[ 5 ] [ 6 ]} A partir del alcance 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 ^{. [ 7} ] Inicialmente ^, tras su descubrimiento en 1936, se pensó que el muón (inicialmente llamado "mesotrón" o " mesón mu ") era esta partícula, ya que tiene una masa de106  MeV/ c² ^{. [ 8 ] [ 9} ] Sin embargo, experimentos posteriores demostraron que el muón no participaba en la interacción nuclear fuerte. ^{[ 10 ] [ 8 ] En la} terminología moderna, esto convierte al muón en un leptón , y no en un mesón . Los piones, que posteriormente fueron identificados como los mesones predichos por Yukawa, fueron confirmados más tarde: piones cargados en 1947 y piones neutros en 1950. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

En 1941-42, Bibha Chowdhuri y Debendra Mohan Bose informaron sobre rastros de mesones de rayos cósmicos en el Instituto Bose que historiadores posteriores han considerado como evidencia temprana de piones. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Aunque los aceleradores de partículas ya se habían desarrollado a principios de la década de 1930, ^{[ 15 ]} los rayos cósmicos atmosféricos siguieron siendo la principal fuente de partículas subatómicas de alta energía hasta que los aceleradores de alta energía estuvieron disponibles a principios de la década de 1950. ^{[ 16 ]} Se colocaron emulsiones fotográficas durante largos períodos de tiempo en sitios ubicados en la cima del Monte Sandakphu en la actual Bengala Occidental y en la ciudad más alta de Pharijong en el Tíbet . Las partículas registradas en Sandakphu (aproximadamente221 m _e  [113  MeV/ c ² ]) eran más ligeros que los observados en Pharijong (aproximadamente278 m _e  [142  MeV/ c ² ]), lo que llevó a la conclusión tentativa de que los más ligeros (los muones) eran el producto de desintegración de los más pesados ​​(los piones). Sin embargo, no se pudieron realizar estudios de seguimiento porque solo se disponía de placas de semitonos durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 1 ] [ 17 ]} Un estudio en 1947 por la colaboración liderada por Cecil Powell en la Universidad de Bristol en Inglaterra obtuvo resultados más concluyentes con placas de tono completo en Pic du Midi de Bigorre en los Pirineos , y más tarde en Chacaltaya en la Cordillera de los Andes , por lo que Powell ganó el Premio Nobel de Física de 1950. Marietta Kurz fue la primera persona en detectar las inusuales trazas de "doble mesón" al inspeccionar las placas del equipo de Powell, características de un pión que se desintegra 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 los piones que aparecían en el artículo del descubrimiento. Ambas mujeres aparecen mencionadas en los pies de figura del artículo, y también se menciona el estudio previo de Chowdhuri y Bose. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

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. ^{[ 20 ]}

Dado que el pión neutro no tiene carga eléctrica , es más difícil de detectar y observar que los piones cargados. Los piones neutros no dejan rastros en emulsiones fotográficas ni en cámaras de niebla de Wilson . La existencia del pión neutro se infirió a partir de la observación de sus productos de desintegración de los rayos cósmicos , un llamado "componente blando" de electrones lentos con fotones. El π ⁰fue identificado definitivamente en el ciclotrón de la Universidad de California en 1949 al observar su desintegración en dos fotones. ^{[ 21 ]} 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 semejanza con el carácter kanji para介[ kai ], que significa "mediar", basándose en la idea de que el mesón funciona como una partícula mediadora de la fuerza fuerte entre hadrones. ^{[ 22 ]}

El uso de piones en la radioterapia médica, como para el cáncer, se exploró en varias instituciones de investigación, incluyendo la Instalación de Física de Mesones del Laboratorio Nacional de Los Alamos , que trató a 228 pacientes entre 1974 y 1981 en Nuevo México , ^{[ 23 ]} y el laboratorio TRIUMF en Vancouver, Columbia Británica . 

En la concepción estándar de la interacción de la fuerza fuerte , definida por la cromodinámica cuántica , los piones se representan, de forma aproximada, como bosones de Goldstone con simetría quiral rota espontáneamente . Esto explica por qué las masas de los tres tipos de piones son considerablemente menores que las de otros mesones, como los escalares o vectoriales. Si sus quarks actuales fueran partículas sin masa, la simetría quiral sería 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) [ 24 ]} demostraron que el cuadrado de la masa del pión es proporcional a la suma de las masas de los quarks multiplicadas por el condensado de quarks : $${\displaystyle M_{\pi }^{2}=(m_{\text{u}}+m_{\text{d}})B+{\mathcal {O}}(m^{2}),}$$ con B el condensado de quarks: $${\displaystyle B=\left\vert {\frac {\rm {\langle 0\vert {\bar {u}}u\vert 0\rangle }}{f_{\pi }^{2}}}\right\vert _{m_{\text{q}}\to 0}}$$ Esto se conoce a menudo como la relación GMOR y muestra explícitamente que${\displaystyle M_{\pi }=0}$en el límite de quarks sin masa. El mismo resultado también se obtiene de la holografía de frente de luz . ^{[ 25 ]}

Empíricamente, dado que los quarks ligeros en realidad tienen masas no nulas minúsculas, los piones también tienen masas en reposo no nulas . Sin embargo, esas masas son casi un orden de magnitud menores que la de los nucleones, aproximadamente ^{[ 24 ].}${\displaystyle \ m_{\pi }\approx {\tfrac {\sqrt {v\ m_{\text{q}}\ }}{\ f_{\pi }}}\approx {\sqrt {m_{\text{q}}\ }}\ }$45  MeV, donde m _q son las masas de quarks actuales relevantes, alrededor de5–10  MeV / c2 ^.

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 entre sí. Escrita en forma no relativista, se denomina potencial de Yukawa . El pión, al carecer de 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 efectiva que describe la interacción pión-nucleón se denomina interacción de Yukawa .

Las masas casi idénticas de π ^±y π ⁰indican 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 π ⁰, es que se entiende que pertenecen a la representación triplete o a la representación adjunta 3 de SU(2). Por el contrario, los quarks arriba y abajo 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 SU(3) mayor, 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 . Por lo tanto, las corrientes de piones se acoplan a la corriente vectorial axial y participan en la anomalía quiral .

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

Desintegración de piones cargados

El π ^±Los mesones tienen una masa de139,6 MeV/ c2  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 : $${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \mu ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mu }\end{aligned}}}$$

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 correspondiente antineutrino electrónico . Este "modo electrónico" fue descubierto en el CERN en 1958: ^{[ 26 ]}$${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow {\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow {\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

La supresión del modo de desintegración electrónica con respecto al muónico viene dada aproximadamente (hasta un efecto de unos pocos por ciento de las correcciones radiativas) por la relación de las semianchuras de las reacciones de desintegración pión-electrón y pión-muón, $${\displaystyle R_{\pi }=\left({\frac {m_{e}}{m_{\mu }}}\right)^{2}\left({\frac {m_{\pi }^{2}-m_{e}^{2}}{m_{\pi }^{2}-m_{\mu }^{2}}}\right)^{2}=1.283\times 10^{-4}}$$ y es un efecto de espín 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 a la componente de quiralidad izquierda de los campos, el antineutrino siempre tiene quiralidad izquierda, lo que significa que es dextrógiro, 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 dextrógiro). Sin embargo, si los leptones no tuvieran masa, solo interactuarían con el pión en la forma levógira (porque para las partículas sin masa la helicidad es igual a 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 tiene una masa relativamente pequeña en comparación con el muón, por lo que el modo electrónico se suprime enormemente en relación con el muónico, estando prácticamente prohibido. ^{[ 27 ]}

Si bien 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 impone una quiralidad diferente al neutrino y al 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 la universalidad leptónica . Experimentalmente, esta relación es1,233(2) × 10 ⁻⁴ . ^{[ 2 ]}

Más allá de las desintegraciones puramente leptónicas de los 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 ha observado, 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 un neutrino electrónico). $${\displaystyle {\begin{aligned}\pi ^{+}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{+}+\nu _{e}\\[2pt]\pi ^{-}&\longrightarrow \pi ^{0}+{\rm {e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}\end{aligned}}}$$

La tasa de desintegración de los piones es una magnitud importante en muchos subcampos de la física de partículas, como _la teoría de perturbaciones quirales . Esta tasa se parametriza mediante la constante de desintegración del pión ( fπ ), relacionada con la superposición de la función de onda del quark y el antiquark, que es aproximadamente130  MeV . ^{[ 28 ]}

Desintegración de piones neutros

El π ⁰El mesón tiene una masa de135,0  MeV/ c2 y una vida media ^de8,5 × 10 ⁻¹⁷  s . ^{[ 2 ]} 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 ).

El π ⁰ dominanteEl modo de desintegración, con una relación de ramificación de BR _γγ = 0,98823 , se divide en dos fotones : $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow 2\ \gamma }$$

La desintegración π ⁰→ 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 del π ⁰es +1, mientras que la paridad C de un sistema de n fotones es ( − 1) ⁿ .

El segundo π ^{0 más grande}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: $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow \gamma +{\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

El tercer modo de desintegración más grande establecido ( BR _{2e2 e} = 3,34 × 10⁻⁵ ) es la desintegración de doble Dalitz, en la que ambos fotones experimentan una conversión interna que conduce a una mayor supresión de la tasa: $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow {\rm {2\ e^{-}+2\ e^{+}}}}$$

El cuarto modo de desintegración establecido más grande es el modo de desintegración leptónico inducido por bucles y, por lo tanto, suprimido (y adicionalmente suprimido por helicidad ) ( BR _{e e} = 6,46 × 10⁻⁸ ): $${\displaystyle \pi ^{0}\longrightarrow {\rm {e^{-}+e^{+}}}}$$

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 del PDG , y sus incertidumbres se omiten, pero están disponibles en la publicación citada. ^{[ 2 ]}

^[a] ^ La composición de quarks del π ⁰no se divide exactamente entre quarks arriba y abajo, debido a complicaciones derivadas de masas de quarks distintas de cero. ^{[ 30 ]}

• Modelo estándar de la física de partículas
• Formulación matemática del Modelo Estándar
• Pionio
• modelo de quarks
• Fuerzas estáticas e intercambio de partículas virtuales
• Parametrización de Sanford-Wang

• Brown, GE ; Jackson, AD (1976). La interacción nucleón-nucleón . Ámsterdam, Países Bajos: North-Holland Publishing. ISBN 0-7204-0335-9.

• Contenido multimedia relacionado con los piones en Wikimedia Commons
• Mesones en el Grupo de Datos de Partículas