Mesones

Pión

El pión, siendo el más ligero mesón, se puede utilizar para predecir el alcance máximo de la interacción fuerte. Las propiedades de la interacción fuerte de los tres piones son idénticas. La conexión entre los piones y la fuerza fuerte fue propuesta por Hideki Yukawa. Yukawa elaboró un potencial para la fuerza, y predijo su masa basada en el principio de incertidumbre, de las mediciones del rango aparente de la fuerza fuerte en los núcleos. Ahora sabemos que el pión es un mesón, una partícula compuesta, y la visión actual es que la interacción fuerte es una interacción entre quarks, pero la teoría de Yukawa estimuló entonces, un gran avance para la comprensión de la interacción fuerte y fuerzas de intercambio por lo general.

Partícula	Símbolo	Anti- partícula	Composición	Masa en reposo MeV/c2	S	C	B	Tiempo de vida	Modos de Decaimiento
Pión	π+	π-	ud	139.6	0	0	0	2.60 x10-8	μ+νμ
Pión	π0	La misma		135,0	0	0	0	0,83 x10-16	2γ

El pión neutro se desintegra en dos fotones (rayos gamma) el 98,8% del tiempo. La desintegración es por la interacción electromagnética en una escala de tiempo de aproximadamente 10 ^-16 segundos. Los piones positivos y negativos tienen vidas más largas de aproximadamente 2,6 x 10 ^-8 s.

El pión negativo decae en un muón y un antineutrino muón como se ilustra a continuación. En un primer examen, este decaimiento es desconcertante porque la descomposición en un electrón más un antineutrino electrónico, produce mucha más energía. Por lo general, la vía preferida es la de mayor rendimiento de energía. Esto sugiere que está actuando alguna simetría para inhibir la vía del decaimiento electrónico.

La simetría que suprime la vía electrónica es la del momento angular, como lo describe Griffiths. Como el pión negativo tiene un espín cero, el electrón y el antineutrino, deben ser emitidos con espines opuestos, para preservar espín neto de cero. Pero el antineutrino es siempre de mano-derecha, por lo que esto implica que el electrón debe ser emitido con espín en la dirección de su momento lineal (es decir, también a la derecha). Pero si el electrón fuera no-masivo, (como el neutrino) sólo existiría como una partícula de mano-izquierda, y la vía del electrón estaría prohíbida completamente. Así que la supresión de la vía del electrón se atribuye al hecho de que la pequeña masa del electrón, favorece en gran medida la simetría de la mano-izquierda, lo que inhibe el decaimiento. La teoría de la interacción débil predice que la fracción de muones decayendo en electrones debería ser 1,28 x 10^-4, y la relación que se ha medido ha sido de 1,23 +/- 0,02 x 10^-4.

Al estar compuesto de un quark up y un quark antidown, se esperaba que el pión positivo tuviera una masa de aproximadamente 2/3 la de un protón, sin embargo, su masa es de ¡sólo aproximadamente 1/6 de la del protón! Este es un ejemplo de cómo las masas de los hadrones dependen de la dinámica dentro de la partícula, y no sólo de los quarks contenidos.

El pión es un mesón. El π+se considera que se compone de un quark up y un quark anti-down. El pión neutral se considera que es una combinación

Los piones interactúan con los núcleos, y transforma un neutrón en un protón o viceversa. Aunque este diagrama está etiquetado como el diagrama de la fuerza fuerte, la fuerza fuerte es fundamentalmente una interacción entre quarks a través de gluones. Slaven llama a este diagrama un ejemplo de la "fuerza fuerte residual", ya que se representa entre partículas incoloras. él hace una analogía con la "fuerza electromagnética residual" entre los átomos que son eléctricamente neutros. Las interacciones que se muestran a continuación parecen ser consistentes con esta imagen y pueden verse como interacciones entre quarks cuyo resultado es una producción de una distribución diferente de quarks

Los piones π⁺ y π^- tienen espín cero y paridad intrínseca negativa (Rohlf Sec 17-2).

La Partícula psi/J

La partícula J/psi es un mesón que fue descubierto en 1974 por los experimentadores de Stanford (Richter) y de Brookhaven del National Laboratory (Ting). Un poco más de tres veces más masivo que el protón, esta partícula decayó lentamente y no encajó en el marco de los quarks up, down y strange. Se consideró que era un par de quarks charm (encanto), anti-charm, y fue la primera evidencia firme experimental del cuarto quark. Richter y Ting compartieron en 1976 el Premio Nobel por su descubrimiento.

La Partícula Ípsilon

La partícula ípsilon es un mesón que fue descubierto en el Fermilab en 1977. Apareció como otra partícula de larga vida que no encajaba en el marco de los primeros cuatro quarks, el up, down, strange, y charm. Se tomó como un par de quarks bottom (fondo)-antibottom, y fue la primera evidencia experimental del quinto quark.

Los Hadrones

Las partículas que interactúan por la interacción fuerte se denominan hadrones. Esta clasificación general incluye los mesones y los bariones, pero excluye específicamente a los leptones, que no interactúan con la fuerza fuerte. La interacción débil actúa sobre los dos, hadrones y leptones.

Los hadrones son vistos como compuestos de quarks, ya sea como pares de quark-antiquark (mesones), o tres quarks (bariones). En este asunto sin embargo, hay mucho más que esto, debido a que los quarks constituyentes, están rodeados por una nube de gluones, las partículas de intercambio de la fuerza de color.

La evidencia experimental reciente, demuestra la existencia de combinaciones de cinco quarks que están siendo llamadas pentaquarks.

Los Bariones

Los bariones son partículas masivas del modelo estándar, que se componen de tres quarks. Esta clase de partículas incluye el protón y el neutrón. Otros bariones son las partícula lambda, sigma, xi, y omega. Los bariones son distintos de los mesones, estos se componen de sólo dos quarks. Los bariones y los mesones están incluidos en la clase general conocida como hadrones, las partículas que interactúan por la fuerza fuerte. Los bariones son fermiones, mientras que los mesones son bosones. Además de la carga y el espín (1/2 para los bariones), a estas partículas se le asignan otros dos números cuánticos: número bariónico (B=1) y la extrañeza (S), que en el gráfico se puede ver que es igual a -1 veces el número de quarks stranges incluidos.

La conservación del número bariónico es una regla importante en las interacciones y desintegraciones de los bariones. No hay interacciones conocidas que violen la conservación del número bariónico.

La evidencia experimental reciente, demuestra la existencia de combinaciones de cinco quarks, que son llamadas pentaquarks. El pentaquark se incluiría en la clasificación de los bariones, aunque sea uno "exótico". El pentaquark se compone de cuatro quarks y un antiquark, como la combinación de un barión común más un mesón.

Hideki Yukawa y el Pión

Una vez que la electrodinámica cuántica había producido la imagen de la fuerza electromagnética como un proceso de intercambio de fotones, la cuestión de si las otras fuerzas también serían fuerzas de intercambio, era natural. En 1935, Hideki Yukawa razonó que la fuerza electromagnética era infinita en alcance, porque la partícula de intercambio no tenía masa. Propuso que el corto alcance de la fuerza fuerte surgió del intercambio de partículas masivas que llamó mesón. Al observar que el rango efectivo de la fuerza nuclear era del orden de un fermi, se podría predecir la masa de la partícula de intercambio, utilizando el principio de incertidumbre. La masa de la partícula predicha fue de aproximadamente 100 MeV. Entonces, no recibió una atención inmediata, porque nadie sabía de una partícula que se ajustara a esa descripción.

En 1937, fue descubierta en los rayos cósmicos, una partícula de masa cercana a la predicción de Yukawa, por Anderson & Neddermeyer y por Street & Stevenson en experimentos independientes. Esta partícula, el muón, resultó que no interactuaba con la interacción fuerte. Hans Bethe y Robert Marshak, predijeron que el muón podría ser un producto del decaimiento de la partícula buscada. En 1947, Lattes, Muirhead, Occhialini y Powell llevaron a cabo un experimento a gran altitud, exponiendo emulsiones fotográficas a 3000 metros. Estas emulsiones revelaron el pión, que cumplía con todos los requisitos de la partícula de Yukawa.

Ahora sabemos que el pión es un mesón, una partícula compuesta, y la visión actual es que la interacción fuerte es una interacción entre quarks, pero la teoría de Yukawa estimuló entonces, un gran avance para la comprensión de la interacción fuerte.