Pion
En física de partículas, un pión (o un pi mesón, denotado con la letra griega pi: π) es cualquiera de las tres partículas subatómicas: π, 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 decayendo después de una vida media de 26,033 nanosegundos (2,6033 × 10 segundos), y el pión neutro π decayendo después de una vida mucho más corta de 85 attosegundos (8,5 × 10 segundos). Los piones cargados se descomponen 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 mesones vectoriales, rho y omega, proporciona una explicación para la fuerza fuerte residual entre los nucleones. Los piones no se producen en la desintegración radiactiva, pero comúnmente se producen en colisiones de alta energía entre hadrones. Los piones también resultan de algunos eventos de aniquilación de materia y 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 terrestre. En 2013, la detección de rayos gamma característicos que se originaron en la desintegración de piones neutros en dos remanentes de supernovas mostró 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.
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
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 alrededor de 100 MeV/c. 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. 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 "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 neutral en 1950.
Durante 1939-1942, Debendra Mohan Bose y Bibha Chowdhuri expusieron placas fotográficas de medios tonos de Ilford en las regiones montañosas de gran altitud de Darjeeling, India, y observaron largas huellas ionizantes curvas que parecían ser diferentes de las huellas de partículas alfa o protones. En una serie de artículos publicados en Nature, identificaron una partícula cósmica con una masa promedio cercana a 200 veces la masa del electrón, hoy conocida como piones. En 1947, los piones cargados se encontraron de nuevo de forma independiente gracias a la colaboración dirigida 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.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. Las emulsiones fotográficas basadas en el proceso gelatina-plata se colocaron durante largos períodos de tiempo en sitios ubicados en montañas de gran altura, primero en el Pic du Midi de Bigorre en los Pirineos, y luego en Chacaltaya en la Cordillera de los Andes, donde se acuñaron las placas. por los rayos cósmicos. Después del revelado, las placas fotográficas fueron inspeccionadas bajo un microscopio por un equipo de una docena de mujeres.Marietta Kurz fue la primera persona en detectar las inusuales huellas del "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 después, Irene Roberts observó las huellas dejadas por la descomposición del pión que aparecían en el documento del descubrimiento. Ambas mujeres aparecen en los créditos de las figuras del artículo.
En 1948, Lattes, Eugene Gardner y su equipo produjeron por primera vez piones de forma artificial 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 más trabajos teóricos avanzados, quien en 1959 utilizó la relación de dispersión para la dispersión de Compton de fotones virtuales en piones para analizar su radio de carga.
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 las emulsiones fotográficas ni en las cámaras de niebla de Wilson. La existencia del pión neutro se infirió al observar sus productos de descomposición de los rayos cósmicos, un llamado "componente blando" de electrones lentos con fotones. losπfue identificado definitivamente en el ciclotrón de la Universidad de California en 1950 al observar su descomposición en dos fotones. Más tarde en el mismo año, también se observaron en experimentos con globos de rayos cósmicos en la Universidad de Bristol.
... Yukawa elige la letra π por su parecido con el carácter Kanji de 介, que significa "mediar". Debido al concepto de que el mesón funciona como una partícula mediadora de fuerza fuerte entre hadrones.
Posibles aplicaciones
El uso de piones en la radioterapia médica, como para el cáncer, se exploró en una serie de instituciones de investigación, incluido el Centro de Física de Mesones del Laboratorio Nacional de Los Álamos, que trató a 228 pacientes entre 1974 y 1981 en Nuevo México, y el laboratorio TRIUMF en Vancouver, Columbia Británica.
Resumen teórico
En la comprensión estándar de la interacción de fuerza fuerte definida por la cromodinámica cuántica, los piones se representan 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 los otros mesones, como los mesones escalares o vectoriales. Si sus quarks actuales fueran partículas sin masa, podría hacer que la simetría quiral fuera 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) demostraron que el cuadrado de la masa del pión es proporcional a la suma de las masas de los quarks por el condensado de quarks: 
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 π ≈ √ vmq _/f π≈ √ m q 45 MeV, donde m q son las masas relevantes de los quarks actuales 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 los nucleones. Escrito en forma no relativista, se llama potencial de Yukawa. El pión, al no tener espín, tiene una cinemática descrita por la ecuación de Klein-Gordon. En los términos de la teoría cuántica de campos, la teoría del campo efectivo Lagrangiana que describe la interacción pión-nucleón se denomina interacción de Yukawa.
Las masas casi idénticas deπyπindican que debe haber una simetría en juego: esta simetría se denomina simetría de sabor SU (2) o isospin. La razón por la que hay tres piones,π,πyπ, es que se entiende que pertenecen a la representación triplete oa 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 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 piónicas se acoplan así a la corriente del vector axial y así participan en la anomalía quiral.
Propiedades básicas
Los piones, que son mesones con espín cero, están compuestos por quarks de primera generación. En el modelo de quarks, un quark up y un quark anti-down forman unπ, mientras que un quark down y un quark anti-up forman elπ, y estas son las antipartículas entre sí. El pión neutroπes 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 elπ, que es su propia antipartícula. Juntos, los piones forman un triplete de isospín. Cada pion tiene isospin (I = 1) y un isospin de tercer componente igual a su carga (I z = +1, 0 o −1).
El pión cargado se desintegra
losπLos mesones tienen una masa de139,6 MeV/ c y una vida media de2,6033 × 10 s. Se descomponen 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 muón:
| π | → | m | + | vm |
| π | → | m | + | vm |
El segundo modo de desintegración más común de un pión, con una fracción de ramificación de 0,000123, también es una desintegración leptónica en un electrón y el antineutrino electrónico correspondiente. Este "modo electrónico" fue descubierto en el CERN en 1958:
| π | → | mi | + | vmi |
| π | → | mi | + | vmi |
La supresión del modo de decaimiento electrónico con respecto al muónico viene dada aproximadamente (hasta un pequeño efecto porcentual de las correcciones radiativas) por la relación de los anchos medios de las reacciones de decaimiento 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 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 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 a la derecha). 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 lo mismo que la quiralidad) y este modo de descomposición estaría prohibido. Por lo tanto, la supresión del canal de decaimiento de electrones proviene del hecho de que la masa del electrón es mucho más pequeña 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.
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 diferente lateralidad para el neutrino y el leptón cargado. Por lo tanto, incluso una interacción que conserva la paridad produciría la misma supresión.
Las mediciones de la relación anterior se han considerado durante décadas como una prueba de la universalidad de los leptones. Experimentalmente, esta relación es1,233(2) × 10.
Más allá de las desintegraciones leptónicas puramente de los piones, también se han observado algunas desintegraciones leptónicas radiativas dependientes de la estructura (es decir, la 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) en un pión neutro, un electrón y un antineutrino electrónico (o para piones positivos, un pión neutro, un positrón y neutrino electrónico).
| π | → | π | + | mi | + | vmi |
| π | → | π | + | mi | + | vmi |
La velocidad a la que se desintegran los piones es una cantidad destacada en muchos subcampos de la física de partículas, como la teoría de la perturbación quiral. Esta tasa está parametrizada por la constante de decaimiento del pión (ƒ π), relacionada con la superposición de la función de onda del quark y el antiquark, que es aproximadamente130 MeV.
El pión neutro se desintegra
losπmesón tiene una masa de135,0 MeV/ c y una vida media de8,5 × 10 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 decaer a través de la fuerza débil).
El dominanteπel modo de decaimiento, con una relación de ramificación de BR 2γ = 0.98823, es en dos fotones:
| π | → | 2γ. |
La decadenciaπ→ 3γ(así como decae en cualquier número impar de fotones) está prohibido por la simetría C de la interacción electromagnética: la paridad C intrínseca de laπes +1, mientras que la paridad C de un sistema de n fotones es (−1).
El segundo más grandeπEl modo de decaimiento (BR γe e = 0.01174) es el decaimiento de Dalitz (llamado así por Richard Dalitz), que es un decaimiento de dos fotones con una conversión interna de fotones que da como resultado un fotón y un par electrón-positrón en el estado final:
| π | → | γ | + | mi | + | mi. |
El tercer modo de decaimiento más grande establecido (BR 2e2 e =3.34 × 10) es el decaimiento de doble Dalitz, con ambos fotones experimentando una conversión interna que conduce a una mayor supresión de la tasa:
| π | → | mi | + | mi | + | mi | + | mi. |
El cuarto modo de decaimiento establecido más grande es el modo de decaimiento leptónico inducido por bucle y por lo tanto suprimido (y adicionalmente suprimido por helicidad) (BR e e =6,46 × 10):
| π | → | mi | + | mi. |
También se ha observado que el pión neutro se descompone en positronio con una fracción de ramificación del orden de 10. No se han establecido experimentalmente otros modos de descomposición. Las fracciones de ramificación anteriores son los valores centrales de PDG y sus incertidumbres se omiten, pero están disponibles en la publicación citada.
| Nombre de la partícula | símbolo de partículas | Símbolo de antipartículas | contenido de quarks | Masa en reposo (MeV/c) | yo | j | S | C | B' | Vida media (s) | Comúnmente se desintegra a(>5% de las desintegraciones) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| pión | π | π | tud | 139.570 39 ± 0.000 18 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2,6033 ± 0,0005 × 10 | m+vm |
| pión | π | Uno mismo |  | 134,976 8 ± 0,000 5 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 8,5 ± 0,2 × 10 | γ+γ |
^ Maquillaje inexacto debido a masas de quarks distintas de cero.