Mesón

Mesón
Noneto mesônico de spin 0.png
Mesones de espín 0
Composición Compuesta - Quarks y antiquarks
Familia Bosón
Grupo Hadrón
Interacción Nuclear fuerte
Teorizada Hideki Yukawa (1935)
Descubierta 1946
Tipos ~140 (Lista)
Masa Entre 139 MeV/c2 (π+)
y 9,460 MeV/c2 (ϒ)
Carga eléctrica −1 e, 0 e, +1 e
Espín 0, 1

En física de partículas, un mesón (del griego antiguo μεσος (mesos) = medio) es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un espín entero.

En el Modelo estándar, los mesones son partículas compuestas en un estado quark-antiquark. Se cree que todos los mesones conocidos consisten en un par quark-antiquark - los así llamados quarks de valencia - más un "mar" de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Está en progreso la búsqueda de mesones exóticos que tienen constituyentes diferentes. Los quarks de valencia pueden existir en una superposición de estados de sabor (física); por ejemplo, el pion neutro no es ni un par arriba-antiarriba ni un par abajo-antiabajo, sino una superposición cuántica igual de ambos. Los mesones pseudoescalares (con espín 0) tienen la menor energía en reposo, donde el quark y antiquark tienen espines opuestos, y luego el mesón vectorial (con espín 1), donde el quark y antiquark tienen espines paralelos. Ambos vienen en versiones de mayor energía donde el espín queda aumentado por el momento angular orbital. Todos los mesones son inestables.

Los mesones fueron predichos originalmente como portadores de la fuerza que une al protón y al neutrón, de ahí su nombre. Cuando fue descubierto, el muon se identificó con esta familia de masa similar y fue bautizado como "mesón mu", sin embargo no mostró una atracción fuerte a la materia nuclear y es en realidad un leptón. El pion fue el primer mesón verdadero en ser descubierto.

En 1949 Hideki Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de física por predecir la existencia del mesón. Originalmente lo llamo 'mesontrón', pero fue corregido por Werner Heisenberg (su padre fue profesor en griego de la Universidad de Múnich), quien indicó que no había un 'tr' en la palabra griega 'mesos'.

Contenido

Descubrimiento y desarrollo

Diferencia entre los bariones y los mesones.
Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.

La existencia de los mesones fue propuesta por el físico nuclear japonés Yukawa Hideki en 1935. Su idea era que existían una serie de partículas más pesadas que el electrón que eran responsables de la interacción nuclear fuerte. Inicialmente se pensó que estas partículas eran los muones (incorrectamente llamados mesones ), pero posteriormente se comprobó que estos pertenecían al grupo de los leptones. Los mesones postulados por Yukawa fueron descubiertos en 1947 por Powell y denominados mesones o piones.

Posteriormente fueron descubriéndose diferentes grupos de mesones, entre ellos los mesones-K o kaones. Existen diversos mesones, los cuales se producen en interacciones entre bariones y son inestables. Aunque inicialmente se definían por su masa intermedia entre la del electrón y la del protón, los hay de masa superior a este último. Los mesones están formados por un quark y un antiquark.

Los nombres de los mesones

Los nombres de los mesones son tales que sus principales propiedades puedan ser inferidas. A la inversa, dada una propiedad de un mesón, su nombre se determina claramente. Las convenciones de denominación caen en dos categorías basadas en su sabor, los mesones sin sabor y los que tienen sabor.

Mesones sin sabor

Los mesones sin sabor son mesones que tienen los números cuánticos de sabor todos cero. Esto significa que esos quarks son estados quarkonios (pares quark-antiquark del mismo sabor) o una superposición lineal de tales estados.

El nombre de los mesones sin sabor está determinado por su espín total S y su momento orbital angular L. Como un mesón está compuesto de dos quarks con s=1/2m el espín puede solo ser S = 1 (espines paralelos) o S = 0 (espines anti-paralelos). El número cuántico orbital L es debido a la revolución de un quark sobre otro. Usualmente los momentos orbitales angulares mayores se traducen en unos de mayor masa para el mesón. Estos dos números cuánticos determinan la paridad (física) P y la paridad de la carga conjugada C de los mesones:

P = (−1)L+1
C = (−1)L+S

también, L y S se suman para formar un número cuántico de momento angular total J, que su valor está en el rango de |L−S| a L+S en un paso unitario. Las diferentes posibilidades son sumadas, 2S+1LJ y el símbolo JPC (aquí solo el signo es usado para P y C).

Las diferentes posibilidades y el correspondiente símbolo del mesón están dados en la siguiente tabla:

  JPC = 

(0, 2…)− +

(1, 3…)+ −

(1,2…)− −

(0, 1…)+ +
Composición de quarks

2S+1LJ = *

1(S, D…)J

1(P, F…)J

3(S, D…)J

3(P, F…)J

u \bar d\mbox{, }u \bar u - d\bar d\mbox{, }d\bar u †

I = 1

π

b

ρ

a

u \bar u + d \bar d \mbox{, }s \bar s ‡

I = 0

η, η’

h, h’

\phi\,\!, ω

f, f’

c \bar c

I = 0

ηc

hc

ψ •

χc

b \bar b

I = 0

ηb

hb

Υ **

χb

Notas:

* Note que algunas combinaciones están prohibidas: 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +...
† Primera fila forman isospines triples: π−, π0, π+ etc.
‡ Segunda fila contiene pares de elementos: φ se supone que son unos estados s\bar s, y ω a u \bar u + d \bar d. en otros casos no se conoce la composición exacta así un principal es usado para distinguir las dos formas.
• Por razones históricas, 13S1 form of ψ se llama bottomonico es una upsilon mayúscula

Las series normales de paridad-espín están formadas por esos mesones P=(−1)J. En la serie normal, S = 1 entonces PC = +1 (p.e., P = C). Esto corresponde a algunos estados tripletes (estados tripletes aparecen en la última de las dos columnas).

Diagrama de Feynman de uno de los modos en que la partícula eta puede decaer en 3 piones al emitir gluones.

Como muchos de esos símbolos podían referirse a más de una partícula, se añadieron reglas extra :

  • En este esquema, partículas con JP = 0− se conocen como pseudoescalares, y los mesones con JP = 1− se les llama vectores. Para otras partículas, el número J se añade como subindice: a0, a1, χc1, etc.
  • Para muchos de los estados ψ, Υ y χ es común incluir la información espectroscópica: Υ(1S), Υ(2S). El primer número es el número cuántico principal y la letra es la notación espectroscópica de L. La multiplicidad es omitida desde que implica el símbolo y J aparece como un subindice cuando se necesita: χb2(1P). Si la información espectroscópica no está disponible, la masa es usada así: Υ(9460).
  • El esquema de nombrado no hace diferencia entre estados "puros" de quarks y estados gluónicos, los estados gluonicos siguen el mismo esquema.
  • Sin embargo, los mesones exóticos con números cuánticos "prohibidos" JPC = 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +... podrían usar la misma convención como los mesones con idéntico número JP, pero añadiendo un subíndice J. Un mesón con isospin 0 y JPC = 1− + puede ser denotado como ω1. Cuando los números cuánticos de una partícula son desconocidos, están designados con una X seguida por su masa entre parentesis.

Mesones con sabores

Para los mesones con sabor, el esquema de nombres es un poco más simple.

1. Los nombres de los mesones se dan por el más pesado de dos quarks. Del mas al menos masivo, el orden es t > b > c > s > d > u. Sin embargo, u y d no llevan ningún sabor, así ellos no hacen influencia en el esquema de nombres. El quark t nunca forma hadrones, pero el símbolo t (que contiene mesones) se lo reserva de cualquier modo.

quark símbolo quark símbolo
c D t T
s \bar K b \bar B
Note el hecho que para los quarks b y s obtenemos un símbolo de antipartícula. Esto es porque se adopta la convención de que la carga con sabor y la carga eléctrica deben agregárseles el signo. Esto es también cierto para el tercer componente del isospín: el quark arriba tiene la carga y su I3 positivo, el quark abajo tiene carga negativa e I3. El efecto de esto es: cualquier sabor de un mesón de carga tiene el mismo signo que la carga eléctrica del mesón.

2. Si el segundo quark tiene también sabor (si no es u o d) entonces su identificación está dada por el subíndice (s, c or b, y en teoría t).

3. Añada un subíndice "*" si el mesón está en una serie normal paridad-espín, p.e. JP = 0+, 1−, 2+...

4. Para otros mesones como pseudoescalares (0−) y vectores (1−) el número cuántico total del momento angular J se añade como subíndice.

Si lo sumamos tenemos que:

Composición del quark Isospin JP = 0−, 1+, 2−... JP = 0+, 1−, 2+...
\bar su,\ \bar sd 1/2 KJ † K^*_J
c \bar u,\ c\bar d 1/2 DJ D^*_J
c \bar s 0 DsJ D^*_{sJ}
\bar bu,\ \bar bd 1/2 BJ B^*_J
\bar bs 0 BsJ B^*_{sJ}
\bar bc 0 BcJ B^*_{cJ}
† J esta omitida por 0− and 1−

En algunos casos, las partículas pueden cambiar entre ellas. Por ejemplo, el neutro kaón K^0\,(\bar sd) y su antipartícula \bar K^0\,(s\bar d) pueden combinarse en una manera simétrica o antisimétrica, originando dos nuevas partículas, kaones neutros de vida corta y de vida larga K^0_S = \begin{matrix}{1 \over \sqrt 2}\end{matrix}(K^0-\bar K^0),\;K^0_L = \begin{matrix}{1 \over \sqrt 2}\end{matrix}(K^0 + \bar K^0) (rechazando el pequeño termino de la violación CP).

Véase también

  • Lista de mesones
  • Lista de partículas

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