Meson Pión (π+), (π0), (π-) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Meson Pión (π+), (π0), (π-)

Los piones son mesones ligeros, compuestos por un par quark–antiquark de los tipos up (u) y down (d), y son los bosones de espín 0 más livianos que existen. Forman un triplete isospínico ( I = 1 ) dentro del modelo de quarks:

Estos tres estados se comportan como una triple de SU(2) bajo simetría de isospín.

Propiedades fundamentales del Mesón Pión:

Origen teórico: los bosones de intercambio de Yukawa

En 1935, Hideki Yukawa propuso que la fuerza nuclear fuerte entre nucleones (protones y neutrones) era mediada por una partícula intermedia masiva. La masa debía ser intermedia entre la del electrón y la del protón → de ahí se predijo la existencia del pión.

donde μ es proporcional a la masa del pión.

Este potencial (de Yukawa) explica la corta distancia de la interacción nuclear fuerte (del orden de 1 fm). La observación experimental del pión en 1947 (por Powell y colaboradores) confirmó esta idea, valiéndole a Yukawa el Premio Nobel de Física (1949).

Interpretación moderna (QCD)

En el marco de la Cromodinámica Cuántica (QCD):

Los piones no son simples "intermediarios" de fuerza, sino los “bosones de Goldstone” asociados a la ruptura espontánea de la simetría quiral del vacío QCD.

En el límite en que los quarks u y d fueran exactamente masless, los piones serían exactamente sin masa. Su masa pequeña (~140 MeV) surge del hecho de que los quarks ligeros tienen una masa no nula, pero muy pequeña.

Esto los convierte en partículas Pseudo-Goldstone, de ahí que también se clasifiquen como Mesones Pseudoscalars.

Desintegraciones

Carga positiva y negativa:

• → Decaimiento débil leptónico, mediado por el bosón W.

También ocurren con menor probabilidad:

Pión neutro:

• → Decaimiento electromagnético, muy rápido (~10⁻¹⁶ s), a través de un bucle de quarks virtuales.

Importancia en la física nuclear

Los piones:

• Mediaban la fuerza nuclear residual entre nucleones antes de la formulación moderna de QCD.
• Explican la estructura de los núcleos ligeros y la dispersión nucleón–nucleón.
• Son esenciales en interacciones hadrónicas y en la producción secundaria en colisiones de rayos cósmicos.

Representación cuántica y simetrías

Los tres piones se representan mediante un triplete de SU(2) isospín:

Conmutadores del álgebra de isospín:

En el modelo sigma lineal, los piones aparecen junto con el campo escalar σ como componentes de un multiplete quiral