Mesón Phi (φ) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón Phi (φ)

El mesón φ (phi) es un mesón vectorial neutro formado principalmente por un par quark-antiquark extraño:

Es decir, está compuesto por un quark extraño (s) y su antiquark (sˉ). Tiene espín 1, paridad –1 y conjugación de carga –1, lo que lo clasifica como un mesón vectorial (JPC=1−−).

Propiedades básicas:

Relación con otros mesones vectoriales:

El φ(1020) forma parte del noet de mesones vectoriales del grupo SU(3) de sabor, junto con los mesones ρ(770) y ω(782):

Por la simetría SU(3), estos tres forman un conjunto relacionado. El φ es el miembro más masivo, debido al mayor peso del quark s.

Naturaleza cuántica:

El φ tiene un número cuántico total:

Esto significa:

Espín total J=1

Paridad P=−1

Conjugación de carga C=−1

Por tanto, es un mesón vectorial (como el ω o el ρ), y puede representarse por un campo vectorial cuántico Vμ.

Descubrimiento:

El mesón φ fue descubierto en 1962 en el Laboratorio de Frascati (Italia), a través de colisiones electrón-positrón en el canal:

Su masa de ≈1.02 GeV y su canal dominante hacia kaones (K) fueron claves para identificarlo como un estado s\bar{s} puro.

Decaimientos principales

El φ decae casi exclusivamente en pares de kaones, debido a su composición ssˉ:

Su larga vida media (comparada con el ω o el ρ) se debe a que sus canales de decaimiento fuerte están algo suprimidos por energía (los kaones son pesados).

Mesón Omega (ω) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón Omega (ω)

El mesón omega (ω) —específicamente el ω(782)— es un mesón vectorial neutro, compuesto principalmente por una superposición simétrica de quarks ligeros:

Es decir, contiene partes iguales de un par quark-antiquark up y down.

Pertenece a la familia de mesones vectoriales , junto con el ρ(770) y el φ(1020), con los que está estrechamente relacionado por la simetría SU(3) de sabor.

Composición y características cuánticas:

Relación con otros mesones vectoriales (SU(3) de sabor):

El ω(782), el ρ(770) y el φ(1020) forman el noet de mesones vectoriales ligeros del grupo SU(3):

La ligera diferencia de masa entre ρ y ω se debe a efectos de mezcla y acoplamiento electromagnético.

Decaimientos principales:

El mesón ω decae casi exclusivamente a hadrones, ya que la interacción fuerte domina:

La dominancia del canal 3π muestra que la interacción fuerte es la principal en su decaimiento.

Mesón (D) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón (D)

Los mesones D son mesones pseudoescalares formados por *un quark charm (c) o antiquark charm (c̄) y un quark ligero (up, down o strange). Por tanto, tienen número cuántico de encanto (charm) C=±1.

Existen dos familias principales:

Tipos principales de Mesones D:

Propiedades físicas:

Estructura cuántica:

Los mesones D pertenecen al multiplete de SU(4) (al considerar los quarks u,d,s,c) y se clasifican como mesones pesados pseudoescalares con espín total J=0 y paridad P=−1.

El estado cuántico dominante es:

con números cuánticos 

Decaimientos:

El quark charm (c) decae por la interacción débil, mediante procesos como:

El bosón W+ luego se desintegra en leptones o pares de quarks ligeros.

Ejemplos de decaimientos:

Estos decaimientos se usan para estudiar la matriz CKM (elementos Vcs,Vcd) y las interacciones débiles con cambio de sabor.

Oscilaciones y violación de CP:

Los mesones neutros  pueden oscilar entre sí, de manera similar a los sistemas .

Estas oscilaciones son un fenómeno cuántico donde el estado de sabor no coincide con el estado de masa, y están mediadas por diagramas de caja con quarks down, strange y bottom.

En el modelo estándar, la violación de CP en los mesones D es muy pequeña, pero cualquier desviación significativa podría indicar nueva física.

Mesón (B) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón (B) 

Los mesones B son mesones pesados que contienen *un quark bottom (b) o antiquark bottom (b̄) y otro quark de tipo up, down, strange o charm. Por tanto, un mesón B tiene número cuántico de belleza (beauty) B=±1.

Existen dos grandes familias:

Tipos principales de mesones B:

Propiedades generales:

Características físicas

Los mesones B son mesones pesados pseudoescalares, similares a los mesones D (que contienen quarks charm), pero con el quark bottom en lugar del charm. Se comportan como sistemas ligados QCD (quark pesado + quark ligero), lo que los convierte en un laboratorio ideal para estudiar la física de los quarks pesados y las transiciones débiles.

Decaimientos y la interacción débil

El quark bottom (b) dentro del mesón B decae por interacción débil. Los decaimientos más comunes son:

El bosón W− luego se desintegra en leptones o quarks ligeros.

Por ejemplo:

Estos decaimientos son cruciales para estudiar violación de CP y oscilaciones de sabor.

Oscilaciones y violación de CP

Uno de los fenómenos más fascinantes del mesón B es que los estados neutros pueden oscilar entre sí.

Este proceso ocurre mediante diagramas de caja (box diagrams) en la teoría electrodébil, donde intervienen quarks top y bosones W. Estas oscilaciones permiten que los mesones B muestren violación de CP, un fenómeno que distingue materia y antimateria.

Los experimentos BaBar (EE.UU.) y Belle (Japón) confirmaron en 2001 la violación de CP en el sistema B, consolidando el modelo de Kobayashi-Maskawa, que luego ganó el Premio Nobel de Física 2008.

Mesón Upsilon (Υ) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón Upsilon (Υ)

El mesón Upsilon (Υ) es un mesón vectorial neutro, formado por un quark bottom (b) y su antiquark (b̄):

Pertenece a la familia de estados ligados llamada bottomonium, análoga al charmonium (c c̄) y al hipotético toponium (t t̄). Estos sistemas se comportan como un “átomo” de quarks pesados, ligados por la fuerza fuerte (QCD).

Propiedades fundamentales:

Clasificación dentro de la familia del bottomonium

Así como en el átomo de hidrógeno existen niveles energéticos (1S, 2S, 3S…), también los mesones de bottomonium tienen niveles excitados observables:

Los estados con el mismo número cuántico orbital (S, P, D) pero distintos niveles (1, 2, 3, ...) se observan experimentalmente como resonancias en colisionadores de electrones y positrones.

Decaimientos principales:

El mesón Υ es muy estable comparado con otros mesones pesados, ya que su decaimiento fuerte directo a hadrones está suprimido por la masa del quark bottom.

Sus decaimientos más comunes son:

Importancia en física de partículas:

El Υ (Upsilon) tiene una gran relevancia experimental y teórica:

• Confirmó la existencia del quark bottom (b).
• Sirve como laboratorio perfecto para estudiar la cromodinámica cuántica (QCD) no perturbativa.
• Permite estudiar el confinamiento y las transiciones hadrónicas con precisión.
• Ayuda a investigar el plasma de quarks-gluones, en colisiones de iones pesados (ya que el Υ se suprime en ese medio).
• Se usa para calibrar detectores de energía en colisionadores (como el LHC y Belle II).

Números cuánticos:

Los mismos números cuánticos que el J/ψ, pero con masa aproximadamente tres veces mayor.

Familia del Bottomonium (Υ y otros estados):

La familia completa incluye estados con diferentes combinaciones de espín y momento angular:

Mesón J/Psi (J/ψ) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón J/Psi (J/ψ) 

El mesón J/ψ (también llamado ψ mesón) es un mesón vectorial neutro, compuesto por un quark encantado (charm, c) y su antiquark (anticharm, c̄):

Es decir, es un estado ligado de quark y antiquark charm (una familia conocida como charmonium); además es un Quarkonio. Es el análogo al positronio en electrodinámica cuántica (e⁻e⁺), pero dentro de la cromodinámica cuántica (QCD), y con una masa mucho mayor.

Propiedades fundamentales:

Clasificación dentro de la familia del charmonio

El J/ψ es el estado fundamental (1S) de la familia de mesones charmonium, análoga a los niveles del átomo de hidrógeno, pero regida por el potencial de confinamiento de la QCD:

Así como los piones y kaones surgen de quarks ligeros (u, d, s), los charmonios son sistemas ligados de quarks pesados (c, c̄).

Decaimientos

El J/ψ tiene una vida relativamente larga para una partícula de masa tan grande, porque:

• No puede decaer en dos gluones (por conservación de C).
• Su decaimiento fuerte a hadrones requiere al menos tres gluones virtuales, lo que lo hace poco probable.

Por eso, sus decaimientos dominantes son electromagnéticos o hadrónicos suprimidos.

Modos de decaimiento más comunes:

Números cuánticos

Estos números cuánticos indican que el J/ψ es un mesón vectorial (como el ρ⁰ o el φ).

Importancia física:

El mesón J/ψ tiene una relevancia enorme en física teórica y experimental:

• Confirmó el modelo de quarks (especialmente el quark charm).
• Verificó las predicciones de la QCD sobre confinamiento y estructura espectral.
• Sirve como calibrador en experimentos de colisionadores (LHC, BESIII, etc.).
• Ayuda a estudiar la materia de quarks y gluones, como en el plasma de quarks-gluones formado en colisiones de iones pesados.
• Modelo análogo a otros sistemas ligados de quarks pesados, como el bottomonium (Υ = b b̄) o el hipotético toponium (t t̄).

Mesón Eta (η), (η') (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón Eta (η), (η') 

El mesón eta (η) es una partícula subatómica compuesta (un mesón pseudoscalar neutro) formada por una combinación de un quark y un antiquark de los tipos ligeros (u, d, s). Pertenece a la familia de los mesones pseudosescalares (espín 0, paridad negativa), junto con los piones (π) y los kaones (K). Su símbolo es η, y existe además una versión más pesada llamada η′ (eta prima).

Propiedades fundamentales:

Interacciones y decaimientos:

El η se desintegra principalmente por interacción electromagnética, ya que no puede decaer fuertemente a dos piones (por conservación de isospín y paridad).

Sus modos de decaimiento más comunes son:

La desintegración en dos fotones proviene de la anomalía quiral de QCD, un fenómeno cuántico que rompe ciertas simetrías aparentes del Lagrangiano.

Significado físico:

El mesón eta es un sistema neutro, pseudoscalar y mezclado que desempeña varios papeles teóricos importantes:

• Prueba las simetrías quirales de la QCD (simetría SU(3)L× SU(3)R) y su ruptura espontánea.
• Ilustra la anomalía axial U(1) — una ruptura cuántica de simetría que explica por qué el η′ es mucho más pesado que los otros mesones del octete.
• Es una herramienta experimental para probar violaciones de simetría C, P y CP en procesos raros de decaimiento.
• Ayuda a estudiar la mezcla entre estados de quarks ligeros y extraños, lo que da información sobre la dinámica de confinamiento en QCD.

Relación entre η y η′ (eta prima):

Mesón Kaón (K⁺), (K⁻), (K⁰), (K̄⁰) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Mesón Kaón (K⁺), (K⁻), (K⁰), (K̄⁰) 

Un mesón kaón es un mesón compuesto por un quark ligero (u o d) y un antiquark extraño (s̄), o viceversa. Es decir, contienen “extrañeza”, un número cuántico asociado al quark ligero strange (s).

Composición de los kaones:

Así, los kaones y antikaones forman un doblete de SU(2) bajo la simetría de isospín, y un multiplete SU(3) junto con los piones y el eta (octete de mesones ligeros).

Propiedades fundamentales

Importancia física y teórica

Los kaones fueron las primeras partículas donde se descubrió la violación de la simetría CP (en 1964 por Christenson, Cronin, Fitch y Turlay), un fenómeno que significa que la naturaleza distingue entre materia y antimateria cuando se combina la paridad (P) y la conjugación de carga (C).

Este hallazgo fue tan profundo que cambió la visión de la física de partículas y motivó buena parte de la investigación posterior sobre la asimetría materia–antimateria en el cosmos.

Estados neutros mezclados: 

Los kaones neutros tienen una propiedad cuántica única: pueden oscilar entre su estado de partícula y antipartícula debido a la interacción débil.

Esto se debe a que los estados  no son los estados de masa propios, sino combinaciones cuánticas de ellos:

Donde: 

KS → decae principalmente en 2 piones, en 

KL → decae principalmente en 3 piones, en 

Violación de CP

Experimentalmente se descubrió que el KL (teóricamente CP = –1) a veces decae en 2 piones, lo cual viola la simetría CP

Este fue un resultado histórico porque implicó que las leyes físicas no son perfectamente simétricas bajo la combinación CP — algo fundamental para explicar por qué el universo contiene más materia que antimateria.

Decaimientos de Kaón: