Mesón (partícula)

En física de partículas, un mesón (del griego antiguo μέσος, mésos, literalmente: que está en medio) es un bosón^[1]​^[2]​ que responde a la interacción nuclear 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; 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 (vector mesón) (con espín 1), donde el quark y antiquark tienen espines paralelos. Ambos presentan versiones de mayor energía donde el espín está incrementado por el momento angular orbital. Todos los mesones son inestables.

Originalmente, se predijo que los mesones eran los portadores de la fuerza que une al protón y al neutrón, de ahí su nombre. Cuando fue descubierto, el muon se asignó a esta familia de masa similar y fue bautizado como "mesón mu", sin embargo no mostró interacción fuerte con la materia nuclear: es en realidad un leptón. El pion fue el primer mesón auténtico en ser descubierto.

En 1949 Hideki Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de física por predecir la existencia del mesón. Originalmente lo llamó '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'.

La existencia de los mesones fue propuesta por el físico nuclear japonés Hideki Yukawa 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 son tales que se puedan inferir sus principales propiedades. A la inversa, dadas las propiedades de un mesón, su nombre queda claramente determinado. Las convenciones de denominación caen en dos categorías según su sabor: los mesones sin sabor y los que tienen sabor.

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

L y S se suman para formar un número cuántico de momento angular total J, cuyo valor está en el rango de |L−S| a L+S en un paso unitario. Las diferentes posibilidades se resumen en las expresiones ^2S+1L_J y J^PC (aquí solo se usa el signo para P y C).

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

(0, 2…)^{− +}

(1, 3…)^{+ −}

(1,2…)^{− −}

(0, 1…)^{+ +}

^2S+1L_J = ^*

¹(S, D…)_J

¹(P, F…)_J

³(S, D…)_J

³(P, F…)_J

${displaystyle u{ar {d}}{mbox{, }}u{ar {u}}-d{ar {d}}{mbox{, }}d{ar {u}}}$ ^†

I = 1

π

b

ρ

a

${displaystyle u{ar {u}}+d{ar {d}}{mbox{, }}s{ar {s}}}$ ^‡

I = 0

η, η’

h, h’

${displaystyle phi ,!}$, ω

f, f’

${displaystyle c{ar {c}}}$

I = 0

η_c

h_c

ψ ^•

χ_c

${displaystyle b{ar {b}}}$

I = 0

η_b

h_b

Υ ^**

χ_b

Notas:

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

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

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

1. Los nombres de los mesones se asignan según cual sea el más pesado de sus dos quarks. Del más al menos masivo, el orden es t > b > c > s > d > u. Sin embargo, u y d no llevan ningún sabor, así estos no alteran el esquema de nombres. El quark t nunca forma hadrones, pero el símbolo T se reserva de cualquier modo.

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

3. Se añade un superíndice "*" si el mesón está en la serie normal paridad-espín, p.e. J^P = 0⁺, 1⁻, 2⁺...

4. Para mesones que no sean pseudoescalares (0⁻) o vectores (1⁻) se añade el número cuántico del momento angular total J como subíndice.

Si lo unimos todo tenemos que:

En algunos casos, las partículas pueden cambiar entre ellas. Por ejemplo, el kaón neutro ${displaystyle K^{0},({ar {s}}d)}$ y su antipartícula ${displaystyle {ar {K}}^{0},(s{ar {d}})}$ pueden combinarse de manera simétrica o antisimétrica, originando dos nuevas partículas, kaones neutros de vida corta y de vida larga ${displaystyle K_{S}^{0}={egin{matrix}{1 over {sqrt {2}}}end{matrix}}(K^{0}-{ar {K}}^{0}),;K_{L}^{0}={egin{matrix}{1 over {sqrt {2}}}end{matrix}}(K^{0}+{ar {K}}^{0})}$ (rechazando el pequeño término de la violación CP).

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