2o ciclo Mesones

[Lorentz]

Buenos días,

Puede que la pregunta sea un poco estúpida pero me tiene descolocado. Sabiendo que una antipartícula es igual que su correspondiente partícula con sus números cuánticos aditivos opuestos y que al interaccionar ambas se aniquilan dando lugar a una gran cantidad de energía, ¿Por qué se pueden formar combinaciones de quark-antiquark (mesones)?

Un saludo

[Alriga]

Re: Mesones

... ¿Por qué se pueden formar combinaciones de quark-antiquark (mesones)? ...

Como bien sabes no soy físico y menos de partículas por lo tanto mientras alguien te da una respuesta "de verdad", coge esto con pinzas: Mirando la composición de unos cuantos, he visto que los mesones sí son combinaciones quark-antiquak, pero de distinto sabor, por ejemplo:

$\pi^+=u\bar d$

$\pi^-=d\bar u$

$K^+=u\bar s$

$K^-=s\bar u$

Entiendo que los que se aniquilarían, (por eso no hay mesones así), serían encuentros $u\bar u$, $d\bar d$, etc, es decir quarks y antiquarks del mismo sabor.

No he puesto en esta minilista otros mesones, como por ejemplo $\pi^0$, $K^0$, $\eta$, ... porque según veo son "mezclas" de quarks, no están exclusivamente formados por una pareja quark-antiquark.

De hecho el pion neutro $\pi^0$ que está formado por una mezcla $u\bar u / d\bar d$ se desintegra en dos fotones mil millones de veces más deprisa de lo que tardan en desintegrarse los otros dos piones cargados.

Saludos.

[Lorentz]

Re: Mesones

Como bien sabes no soy físico y menos de partículas por lo tanto mientras alguien te da una respuesta "de verdad", coge esto con pinzas: Mirando la composición de unos cuantos, he visto que los mesones sí son combinaciones quark-antiquak, pero de distinto sabor, por ejemplo:









Entiendo que los que se aniquilarían, (por eso no hay mesones así), serían encuentros , , etc, es decir quarks y antiquarks del mismo sabor.

Créeme que agradezco tu respuesta!

Ya he visto qué era lo que me estaba haciendo dudar. En los apuntes que estoy utilizando escribe:

"[FONT=CairoFont-2-0]Y del mismo modo, teniendo en cuenta las posibles combinaciones de quark-antiquark con tres sabores de quarks, surge un nonete de mesones: [/FONT]"

Y después escribe los mesones que surgen con las combinaciones posibles con $u\bar{u}$, $u\bar{d}$,...$d\bar{d}$, ... $s\bar{s}$

Según eso no estaría diciendo que los mesones $\pi^0$, $\eta$ y $\eta'$ estarían formados por quarks-antiquarks del mismo sabor?

De hecho el pion neutro que está formado por una mezcla se desintegra en dos fotones mil millones de veces más deprisa de lo que tardan en desintegrarse los otros dos piones cargados.

Por ejemplo, como bien dices $\pi^0$ tiene de contenido en quarks $\dst \frac{u\bar{u}-d\bar{d}}{\sqrt{2}}$, el mesón $\eta$ tiene de contenido en quarks $\dst \frac{u\bar{u}+d\bar{d}-2s\bar{s}}{\sqrt{6}}$ y el $\eta'$ tiene $\dst \frac{u\bar{u}+d\bar{d}+s\bar{s}}{\sqrt{3}}$. Por qué no se aniquilan dos a dos?

No sé si es que son una especie de estados mezcla o algo de ese estilo...

[pod]

Re: Mesones

Buenos días,

Puede que la pregunta sea un poco estúpida pero me tiene descolocado. Sabiendo que una antipartícula es igual que su correspondiente partícula con sus números cuánticos aditivos opuestos y que al interaccionar ambas se aniquilan dando lugar a una gran cantidad de energía, ¿Por qué se pueden formar combinaciones de quark-antiquark (mesones)?

Un saludo

Primero, aclarar la premisa: no es del todo correcto decir que un par partícula-antipartícula "se aniquilan dando lugar a una gran cantidad de energía". Por lo menos, no automáticamente. De hecho, no tiene sentido decir que dan lugar a energía, ya que la energía no existe por si sola, sino que es una propiedad de las partículas, en este contexto. En primer lugar, porque la energía ya estaba ahí, contenida en las partículas iniciales, no se crea. Esa misma energía se empleará en crear unas nuevas partículas.

Una forma de explicarlo, sin dejar de lado de ser esencialmente divulgativo, es recordar que en cuántica todo "cambio" que no está prohibido por alguna ley de conservación, puede pasar y hay formas de saber con qué probabilidad pasa. Y, normalmente, esa probabilidad será más alta cuanto más favorable sea un cambio. Como un par partícula-antipartícula suman "cero" en los números cuánticos, entonces un "cambio" donde ese par inicial desaparezca y se creen nuevas partículas (deben ser, por lo menos, dos por temas de conservación de momento) que también sumen cero es posible y tendrá una probabilidad mayor que cero. Claro, siempre que haya suficiente energía para crear esas partículas; por ejemplo, si tu tienes un electrón y un positrón poco energéticos (su velocidad relativa es pequeña) no tendrás energía suficiente para generar un par de partículas Z, por ejemplo. En cambio, si aceleras el par electrón-positrón con mucha energía entonces tienes una probabilidad de que se genere ese par de Zs. De hecho, así es como se descubrió la partícula Z en el CERN en la década de los 90.

Dicho esto, volviendo a el par de partícula-anti partícula poco energético, ¿cual es el cambio más favorable energéticamente que existe? Pues crear partículas sin masa. En efecto, la probabilidad de ir a un par de partículas sin masa es siempre la mayor. Por eso, el proceso más probable siempre es ir a dos fotones (podrian ser dos gluones, pero ese proceso tiene otras complicaciones; quizá Carroza lo pueda explicar mejor, tiene que ver con la conservación del color).

Pero, insisto, aunque la aniquilación en dos fotones sea lo más probable, no significa que sea automática. En el caso que nos ocupa, un mesón sin sabor (con un quark-antiquark del mismo sabor) puede sobrevivir un rato antes de que la aniquilación se dé. Como alriga comenta, ese tipo de mesones suelen vivir menos que los mesones con sabor, porque la desintegración es más probable (es decir: como es más probable, suele ocurrir antes, de media). Pero existir, existen; pueden sobrevivir lo suficiente para que sean observables en los aceleradores de partículas. Ejemplos: $\pi^0$, $b^0$, $\eta$, $\psi$, etc... En la wikipedia hay una lista más completa de los mesones sin sabor.

[carroza]

Re: Mesones

Hola. Completando lo que indica Pod, te adjunto una lista de las propiedades de los mesones neutros. http://pdg.lbl.gov/2018/tables/rpp2018-sum-mesons.pdf , que, en el modelo de quarks estarían formados por parejas quark-antiquark.

Como puedes ver, estos mesones neutros no sólo decaen en fotones, sino que pueden producir otras partículas (parejas electrón-positrón, pares pión positivo-pión negativo, etc). Lo que determina en qué pueden decaer es esencialmente la masa, es decir, la energía en reposo, que tienen.

Creo que es importante tener en cuenta que las parejas partícula-antipartícula, no tiene por qué desaparecer inmediatamente. Interaccionan entre ellas, como otras partículas, y como resultado de sus interacciones, pueden producir otras particulas, fotones u otras cosas.

saludos

- - - Actualizado - - -

Dicho esto, volviendo a el par de partícula-anti partícula poco energético, ¿cual es el cambio más favorable energéticamente que existe? Pues crear partículas sin masa. En efecto, la probabilidad de ir a un par de partículas sin masa es siempre la mayor. Por eso, el proceso más probable siempre es ir a dos fotones (podrian ser dos gluones, pero ese proceso tiene otras complicaciones; quizá Carroza lo pueda explicar mejor, tiene que ver con la conservación del color).

Bueno, por alusiones. No siempre el proceso más probable es ir a dos fotones. Por ejemplo, el decaimiento de la $\rho_0$, que es una pareja $u \bar u$ o $d \bar d$ con espines paralelos, ocurre principalmente a $\pi^+ \pi^-$. No se producen fotones. Esto se debe a que la interacción fuerte (que produciría dos gluones, que luego dan lugar a los piones) es mucho más intensa que la electromagnética, que es la que produciría los fotones.

Si consideramos solamente "cual es el cambio más favorable energéticamente que existe" uno podría esperar la producción de neutrinos en el decaimiento de mesones neutros. Los neutrinos prácticamente no tienen masa. Sin embargo, producir neutrinos requiere la actuación de la interacción débil, que, como su nombre indica, es mucho más debil que la elecromagnética. Por eso, la produccion de neutrinos es mucho menos probable que la produccion de fotones.

De esta forma, la probabilidad de decaimiento de un mesón (neutro o no) en unas partículas u otras (fotones, piones, neutrinos ...), depende, por una lado de la intensidad de la interacción que produce las partículas finales, y por otro lado, de la energía disponible para el decaimiento. Este argumento se concreta en un expresión, que se llama la Regla de Oro de Fermi https://en.wikipedia.org/wiki/Fermi%27s_golden_rule , en el que la probabilidad de decaimiento depende del cuadrado de la interacción, y de la densidad de estados, que a su vez depende del "cambio más favorable energéticamente".


Saludos

[Lorentz]

Re: Mesones

Primero, aclarar la premisa: no es del todo correcto decir que un par partícula-antipartícula "se aniquilan dando lugar a una gran cantidad de energía". Por lo menos, no automáticamente. De hecho, no tiene sentido decir que dan lugar a energía, ya que la energía no existe por si sola, sino que es una propiedad de las partículas, en este contexto. En primer lugar, porque la energía ya estaba ahí, contenida en las partículas iniciales, no se crea. Esa misma energía se empleará en crear unas nuevas partículas.

En primer lugar, tienes toda la razón, puede que lo expresara mal, pero no quería decir que la energía se generara de la nada. Intentaré ser más claro la próxima vez.


En segundo lugar, creo que el problema que yo tenía es que siempre que se me ha hablado de antimateria ha sido divulgativamente, hasta este año, en el que he tenido una asignatura en la que hemos empezado a estudiar lo básico del Modelo Estándar (partículas elementales, diagramas de Feynman,...). Y por este motivo yo tenía la idea (que ahora me doy cuenta de que es algo absurda) de que se aniquilaban inmediatamente, y que yo sepa ningún proceso (salvo tal vez entanglement) sucede instantáneamente.

Gracias a los tres por vuestras respuestas. Sólo me quedaría una duda para dar por cerrado este hilo. Por qué se produce la aniquilación de materia-antimateria? Me refiero a:

Cuál es el proceso por el cuál se produce dicha aniquilación?

Un saludo

[Weip]

Re: Mesones

Hola Lorentz. No domino el tema tanto como otros usuarios que han participado en el hilo pero creo que puedo dar respuesta a tu pregunta.

Gracias a los tres por vuestras respuestas. Sólo me quedaría una duda para dar por cerrado este hilo. Por qué se produce la aniquilación de materia-antimateria? Me refiero a:

Cuál es el proceso por el cuál se produce dicha aniquilación?

Yo diría que la respuesta ya la ha dado pod: como toda interacción entre partículas elementales, este tipo de procesos se darán si no violan ninguna ley de conservación y en ese caso habrá cierta probabilidad de que la interacción ocurra. Así que la explicación de fondo son las leyes conservación junto los términos del lagrangiano de interacción que indican qué campos interaccionan. Por ejemplo en tu firma tienes el lagrangiano de la electrodinámica cuántica cuya parte de interacción es $\mathcal{L}_{int}=eA_{\mu}\bar{\psi}\gamma^{\mu}\psi$ que permite interacciones como $e^{-}+e^{+}\to \gamma + \gamma$.

[Lorentz]

Re: Mesones

Creo que me ha quedado más o menos claro, gracias.

Un saludo