Piones

Los piones no son partículas elementales: están compuestos por quarks

En 1947, el físico británico Cecil Frank Powell (1903-1969) descubrió un nuevo tipo de partículas, de la familia de los mesones, en las fotografías de los rayos cósmicos.

En realidad, pión es el nombre común de tres partículas subatómicas π0, π+ y π−

Este nuevo mesón tiene 273 veces más masa que un electrón, la masa del cual es 0,0005 GeV. El nuevo mesón fue llamado mesón pi o pión (del griego π).

Observó que el pión reaccionaba fuertemente con los núcleos y que se trataba precisamente de la partícula predicha por Yukawa.

Powell

El físico japonés Hideki Yukawa (1907-1981), especializado en física atómica y familiarizado con las herramientas cuánticas, en el año 1935 propuso una original teoría que servía para explicar la naturaleza de la fuerza fuerte en el interior del núcleo atómico.

Su postulado se basaba en que debería haber una partícula de masa intermedia entre las del electrón y el protón, que sirve como medio de intercambio entre protones y neutrones. Algo análogo a lo que, en electrodinámica cuántica, explica la interacción entre cargas eléctricas por medio del intercambio de fotones.

Al descubrirse, en 1937, entre los rayos cósmicos, la existencia del pión, la comunidad científica internacional comenzó a tomar en serio su hipótesis.

Yukawa

Al estar compuesto por quarks, el pión no es una partícula elemental. Las partículas compuestas por quarks se denominan hadrones, por lo que los piones son todos hadrones.

Además del pión π0 descubierto por Powell, existe un pión positivo que actúa como una fuerza de intercambio entre protones y neutrones. Se ha detectado también la correspondiente antipartícula (el pión negativo), que lleva a cabo un servicio similar para los antiprotones y antineutrones.

El pión representado en la figura de la derecha es un π+ y está formado por un quark up (carga eléctrica +2/3) y por un quark anti-down.

Al estar compuestos por dos quarks de la familia del electrón (no por tres), los piones tienen espín cero.

Pión

Un quark "up" y otro "anti-down" componen el π+, mientras que un quark "down" y otro "anti-up" componen el π−, su antipartícula. La combinación "up-antiup" y "down-antidown" constituyen el π0, el cual es su propia antipartícula.

El mesón π± tiene una masa de 139,6 MeV y una vida media de 2.6 cienmillonésimas de segundo.

El π0 es un poco más ligero, con una masa de 135,0 MeV y una vida media mucho más corta, de 8.4 × 10−17 segundos.

¿Quiere decir esta corta vida que los piones no son importantes? Nada más lejos de la realidad. Sin los piones, la materia como la conocemos no existiría. Así como los fermiones son las partículas que constituyen la materia, los bosones son las partículas responsables de las interacciones (como la electricidad o el magnetismo).

Pión

Los mesones interactúan fuertemente con los protones y neutrones. Los piones son responsables de que existan los núcleos atómicos: los protones y neutrones del núcleo se atraen unos a otros mediante la interacción nuclear fuerte, intercambiando piones virtuales constantemente.

Estos piones desaparecen con gran rapidez, pero los protones y neutrones siguen intercambiando continuamente nuevos piones. Sin ellos, los núcleos atómicos se desparramarían y no habría elementos químicos. La fracción de segundo que viven los piones es esencial para crear la realidad que percibimos, a pesar de que su tiempo de vida y la distancia que recorren en el núcleo atómico sean tan ínfimas que nunca tenemos una percepción directa de estas elusivas partículas.

Dentro del núcleo atómico, los neutrones se transforman continuamente en protones, y algunos protones en neutrones. Esto explica que los neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estables que los neutrones aislados.

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