Visto por fin el mesón que se desintegra en protón y antineutrón

Observada una rara desintegración de un mesón charm. Es una desintegración particularmente notable porque genera un protón y un antineutrón.

Los mesones son unas partículas compuestas de un quark y de un antiquark. Los físicos de partículas de CLEO han observado una rara desintegración de uno de ellos, un mesón charm. Es una desintegración particularmente notable porque genera un protón y un antineutrón.

En un principio, el méson era una partícula menos pesada que el protón, una propuesta de Ideki Yukawa para explicar las fuerzas nucleares fuertes. En ella vincula los neutrones y los protones en el núcleo, explicando por qué no estalla bajo la fuerza de las repulsiones electrostáticas entre protones. A partir de los años 50, fueron descubiertos otros tipos de mesones de los que algunos eran más pesados que los protones, para gran sorpresa de los teóricos.

Es la teoría de los quarks de Gell-Mann, Zweig y Ne’eman, y sobre todo lacromodinámica cuántica (QCD), descubierta a principios de los años 70, lo que va a permitir comprender estas observaciones. Los investigadores se dieron cuenta entonces que todos los hadrones observados en los aceleradores lo estaban sólo en estados ligados de 2 o 3 quarks, de los 6 tipos existentes posibles, y que llevaban el análogo de una carga eléctrica, una carga por color.

Actualmente, los físicos continúan explorando el mundo hadrónico y la colaboración CLEO utiliza el Cornell Electron Storage Ring el CESR, (Anillo de almacenaje de electrones de Cornell) para generar colisiones de los electrones y antielectrones, con el fin de producir mesones D. Se trata de mesones que contienen uno de los 6 tipos de quarks conocidos con el nombre de quark encantado*. La colaboración CLEO estudia específicamente la física del hadrón encantado, es decir que posee por lo menos un quark de este tipo.

El acelerador del anillo de almacenaje de electrones de Cornell con los haces de electrones e- y de positrones e+ produciendo mesones D por colisión en CLEO.© Universidad de Cornell (pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Un fenómeno predicho hace treinta años.

Los mesones D creados por las colisiones de los haces, poseen energías medias de 3 a 5 GeV* por partícula, existen sólo de modo extraordinariamente fugaz porque, en menos de una milmillonésima de segundo, se desintegran de diferentes modos creando otros hadrones e incluso leptones.

El físico John Yelton llegó, con la ayuda de sus colegas, a observar lo que la teoría predecía desde hacía más de 30 años, pero que nadie había logrado hacer hasta entonces: la desintegración de algunos mesones D en un protón y un antineutrón (la antipartícula del neutrón, neutra como él pero formada por tres antiquarks).

Es un logro ciertamente notable porque, sobre billones de colisiones diferentes, solamente han sido observadas 13 reacciones con estos productos de desintegración. Una vez más el modelo estándar no ha fallado después de los experimentos, esperemos que esto vaya pronto a cambiar con el LHC y el Atlas.

Detalle de los componentes del detector CLEO.© Universidad de Cornell(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Para saber más:

El quark encantado (también llamado a veces quark encanto) es una partícula elemental que pertenece a la segunda generación de quarks. Tiene una carga eléctrica igual a + ? de la carga elemental y un spin de ½, con lo cual es un fermión y cumple el principio de exclusión de Pauli*. Como los demás quarks, el quark encantado tiene carga de color, y el antiquark encantado tiene carga de anticolor; sienten la interacción fuerte.

Originalmente, cuando Murray Gell-Mann y George Zweig desarrollaron el modelo de quarks en 1964, sólo propusieron los quarks arriba, abajo y extraño. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos, y Luciano Maiani pensaron que los quarks debían existir a pares, igual que los leptones, prediciendo así la existencia del quark encantado. Más tarde, en 1974, se detectó la partícula J/? en el SLAC, la primera que estaba hecha de quarks encantados.

El quark encantado debe de tener una vida media corta, como los leptones de la segunda generación. La única evidencia es que forma hadrones que se desintegran pronto, pero la vida media del propio quark es muy difícil de medir debido a que se encuentra confinado.

Este quark dota a los hadrones que forma con un número cuántico llamado ‘encanto’, que se define como el número de quarks encantados menos el número de antiquarks encantados que lo forman.

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El principio de exclusión de Pauli es un principio cuántico enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1925 que establece que no puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico de partícula individual). Hoy en día no tiene el estatus de principio, ya que es derivable de supuestos más generales (de hecho es una consecuencia del Teorema de la estadística del spin).

El principio de exclusión de Pauli sólo se aplica a fermiones, esto es, partículas que forman estados cuánticos antisimétricos y que tienen espín semientero. Son fermiones, por ejemplo, los protones, los neutrones, y los electrones, los tres tipos de partículas subatómicas que constituyen la materia ordinaria. El principio de exclusión de Pauli rige, así pues, muchas de las características distintivas de la materia. En cambio, partículas como el fotón y el (hipotético) gravitón no obedecen a este principio, ya que son bosones, esto es, forman estados cuánticos simétricos y tienen espín entero. Como consecuencia, una multitud de fotones puede estar en un mismo estado cuántico de partícula, como en los láseres.

Fuente astroseti.org