El Tamiz

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Esas maravillosas partículas - El pión

Continuamos nuestro recorrido por las partículas subatómicas (elementales o no) en la serie Esas maravillosas partículas con una partícula que hemos mencionado brevemente en entregas anteriores de la serie - el pión.

En 1935, Hideki Yukawa predijo la existencia de unas partículas no observadas hasta entonces, de masa intermedia entre la del electrón y la del protón. Al principio, estas partículas se denominaron mesotrones, pero Werner Heisenberg (cuyo padre era catedrático de griego en la Universidad de Munich) apuntó el detalle de que la raíz griega, mesos (medio), no tiene “tr”, al contrario que elektron. De modo que estas partículas teóricas acabaron llamandose mesones.

Como ya dijimos en la entrada acerca del muón, en un principio se pensó que esa partícula era la predicha por Yukawa. Sin embargo, pronto se descubrió que el muón no tenía que ver con los mesones de Yukawa, de modo que su observación aún debería esperar unos años.

La razón de que no fuera fácil ver los mesones de Yukawa es que son partículas inestables, de modo que hace falta verlas justo después de ser producidas o se desintegran en otras partículas subatómicas…y en aquella época no había aceleradores de partículas que pudieran hacer colisionar partículas estables para producir otras inestables, como hacemos ahora: hacía falta estar en el lugar adecuado y en el momento justo cuando se producían de forma natural.

En 1947, las primeras partículas que coincidían con las características predichas por Yukawa (los primeros mesones) fueron descubiertas: los mesones pi, también llamados piones. El descubrimiento fue realizado por Cecil Powell, César Lattes y Giuseppe Occhialini en la Universidad de Bristol, y los piones que vieron eran el resultado del impacto de rayos cósmicos sobre la atmósfera, que produce muchas partículas inestables, entre ellas los piones.

Curiosamente, la ciencia avanzaba en su faceta experimental al mismo tiempo, y sólo un año más tarde el mismo César Lattes, junto con Eugene Gardner, conseguiría producir piones artificialmente, bombardeando carbono con partículas alfa (núcleos de helio).

Para premiar la faceta teórica y la experimental de la ciencia, la Academia concedió el Premio Nobel de Física de 1949 a Hideki Yukawa por predecir los piones, y a Cecil Powell en 1950 por desarrollar las técnicas de fotoemulsión necesarias para poder detectarlos.

Pero ¿qué es un pión? Si has seguido esta serie con interés, aunque puede que no recuerdes todo (puedes revisar los artículos de la categoría), vas a entenderlo perfectamente. Un pión está formado por un quark y un antiquark de primera generación (up, down, antiup y antidown). Como puedes comprender, hay varios piones, dependiendo de qué combinación quark/antiquark se tiene.

Por ejemplo, un quark up y uno antidown producen un pión de carga positiva, denotado como π+. Un quark down y uno antiup componen el pión de carga negativa, π-. Y un quark up y uno antiup, o uno down y uno antidown, producen el pión neutro, o π0.

Estructura de un pión +.

¿Qué consecuencias tiene todo esto? En primer lugar, al estar compuesto por quarks, un pión no es una partícula elemental. Recuerda que las partículas compuestas por quarks se denominan hadrones, por lo que los piones son todos hadrones.

En segundo lugar, al estar compuestos por dos quarks y no tres, los piones tienen espín entero. Como todos los demás mesones (formados por dos quarks), son bosones, al contrario que los bariones (como los protones y los neutrones), formados por tres quarks y de espín semientero, es decir, fermiones.

Además de todo esto, como hemos dicho antes, los piones no son fáciles de detectar porque duran muy poco tiempo: los piones cargados (+ y -) sólo viven una cienmillonésima de segundo. ¡Pero esto es una eternidad comparado con la vida media de los piones neutros, que sólo existen durante unos 10-17 segundos! Los piones cargados suelen desintegrarse en un muón y un neutrino muónico, mientras que los neutros suelen hacerlo simplemente en dos fotones.

¿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. Recuerda que, cuando dividimos las partículas en fermiones y bosones, dijimos que los fermiones son las partículas que constituyen la materia, y los bosones son las partículas responsables de las interacciones (como la electricidad o el magnetismo).

Bien, los piones son los 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. Claro, estos piones desaparecen rapidísimo, pero los protones y neutrones siguen intercambiando nuevos piones todo el tiempo. 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.

Aquí tienes el diagrama de las partículas elementales vistas hasta ahora en la serie, incluyendo el pión:

Sin embargo, los piones no son los únicos mesones que existen - hay bastantes más. La próxima entrada estará dedicada a otro de ellos: el kaón.

Ciencia, Esas maravillosas partículas, Física

24 comentarios

De: Nikolai
2007-08-02 14:04:00

Excelente

De: curzki
2007-08-03 02:49:19

Bueno empezamos con las partículas "jevis" :P y con las churrucientas dudas de truno:1º Primera y más esencial, ¿cómo narices se puede mantener el pión neutro? ¿Partícula y antipartícula juntas? ¿WTF? ¿No deberían aniquilarse instantáneamente y producir dos fotones altamente energéticos?2º Y ahora otra más rara. Si los fotones se encargan de transmitir la fuerza electromagnética y son partículas elementales, los bosones W y Z se encargan de transmitir la fuerza nuclear débil y son partículas elementales ¿a cuenta de que los piones NO son partículas elementales? Además, si son uniones de quars ¿no están sujetos ellos mismos por la propia fuerza que se supone que media? Si no me equivoco la fuerza nuclear fuerte solo funciona entre quars, ¿no? creo que ya va siendo hora de una entrada sobre las 4 fuerzas fundamentales :S :S :S que es fundamental para entender todo esta fauna de partículas :S

De: Belerofot
2007-08-03 11:39:03

Madre mia si que existen partículas...

De: Pedro
2007-08-03 20:37:11

curzki,1. El pión neutro no se mantiene, como dice el artículo se desintegra rápidamente en dos fotones. La materia y la antimateria se combinan y desintegran, pero el proceso no es instantáneo, simplemente muy rápido (el tiempo de vida del pión neutro es mucho más pequeño que los otros dos por esa razón).2. No lo sé - ni siquiera sé si se sabe. Las dos posibilidades que se me ocurren son que los piones no son directamente responsables de la fuerza nuclear fuerte entre nucleones (lee 3. debajo) sino que lo parecen "desde fuera", o que no todas las fuerzas utilizan necesariamente "mensajeros" elementales...ni idea.3. Existen dos manifestaciones de la fuerza nuclear fuerte: la que se peoduce entre quarks dentro de un nucleón es transferida por los gluones; la que se produce entre nucleones es transferida por los piones. De modo que los piones, dentro de sí, se mantienen unidos por el intercambio de gluones.Tienes razón, va siendo hora de empezar con las fuerzas...tengo que pensar cómo atacar los primeros artículos para establecer las bases de los "de miga", pero en breve aparecerá la serie.Belerofot,¡Y las que nos quedan! ;)

De: curzki
2007-08-03 21:20:24

La verdad es que el asunto de la materia y antimateria tiene miga. Ayer estuve leyendo al entrada de la wikipedia sobre la fuerza nuclear fuerte. La verdad es que no sabía que a corta distancia era repulsiva. Supongo que de ahí que los piones neutros "aguanten". Muchas gracias por la respuesta, ahora es cuando de verdad se pone interesante todo esto.

De: RAFAEL LOZA
2008-01-02 22:31:37

Una duda cual es la diferencia entre una particula ETA y un pion , hasta ahora lo unico que e encontrado de diferencia es la masa .


De: Pedro
2008-01-03 12:09:41

Rafael,

Una duda cual es la diferencia entre una particula ETA y un pion , hasta ahora lo unico que e encontrado de diferencia es la masa .

Ambas son muy parecidas. Las únicas diferencias entre un pión neutro y un mesón eta son que el pión está formado por quarks up/antiup y down/antidown, mientras que el eta también puede estar formado por strange/antistrange y pesa más, además de desintegrarse unas mil veces más rápido.


De: RAFAEL LOZA
2008-01-03 16:21:45

Muchas grcias .


De: odrareG Costa Rica
2009-02-24 21:26:04

Es que tengo dos dudas: con respecto al boson de higgs
estaba leyendo tu articulo (en verdad, gracias a Dios que existe gente como tu, que tienen esa capacidad de simplificar hasta miel, pude entender bastante) : si se requiere tanta cantidad de energia para producir un boson de higgs, y aun asi, se extingue en fraccionsisimas de segundo, ¿como es que los bosones de higgs llenarian el universo, interactuando con toda la masa y energia que exista? bueno, excluyendo a la que viaja a la velocidad de la luz, que como dijiste, es muy poca.
Y la otra es, ¿no es este boson, curiosamente parecido al "èter" que Einstein descarto luego de hacer sus observaciones? por que si es como lo pintan (se que no es tu teoria) me suena que veo el universo flotando en un mar de bosones...
de antemano muchas gracias, y gracias tambien por tus enseñanzas, deberias saber que hay personas que en verdad las apreciamos.


De: Francisco Jose Mench
2009-08-04 14:57:44

Hola y animo,

Yo tengo otro blog de divulgación que trata esos mismo temas y otros parecidos.
Acabo de publicar uno de los piones... si os apetece echarlo un vistazo la direccion es: www.franciscojosemenchencaballero.blogspot.com
Respuesta a Curzki 2.
La union entre los nucleones es a la fuerza nuclear como las fuerzas de Van der Vall a las electricas. La verdadera union es un enalce quimico o covalente compartiendo o intercambiando dos electrones entre dos atomos. Pero si parte de la carga queda poco apanatallada se pueden atraer entre moleculas con un afuerza menor. Así la verdadera union entre protones y neutrones surge del inetrcambio entre gluones, pero la energia de un solo gluon es tan alta que permite crear un par quark-antiquark (o sea permiten crear hasta piones). La atracción que permite mantener un nucleo cohesionado es un amanifestación menor de la verdadera fuerza nuclear fuerte.

Un abrazo y animo

Francisco Menchen


De:
2010-05-20 18:15:57

En el penúltimo párrafo antes del gráfico de las serie, donde dice:

Bien, los piones son los responsables "que" 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...

Hay dos que. ;)


De: Pedro
2010-05-20 18:19:24

Gracias, corregido :)


De: Mickivt
2010-08-10 05:09:15

La verdad es que no entiendo como los piones se encargan de transmitir la fuerza nuclear fuerte si por ejemplo los piones cargados suelen desintegrarse en un muón y un neutrino muónico.
¿Este muón y este neutrino como interaccionan con el protón/neutrón? ¿Como crean esta fuerza y a que se debe? La verdad es que desde los bosones W/Z no entiendo las interacciones de fuerza nuclear débil, fuerte etc...)

Muchas gracias por la serie nunca había llegado tan legos en el mundo de las partículas


De: Octavio
2010-11-16 03:57:27

Hola, que tal? Una pregunta: que es una particula virtual!? y entonses, que es una particula real?


De: oldton
2013-09-30 06:42

Pedro: enhorabuena por el blog. Muchas veces nos intentaron inculcar que si "eras de ciencias" no podrias expresarte bien y solo te entenderían otros "de ciencias". Y si "eras de letras" te resultaria imposible comprender cualquier concepto científico. Tu blog desmonta el mito.

Sobre los piones he creido entender en Wikipedia un comportamiento que no incluyes y creo muy interesante.

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Pion

Parece que los piones no son solo responsables de mantener los neutroes y protones unidos. Además evitan la desintegración de los nucleos atómicos. Los neutrones tenderian a desintegrarse en protón + electrón + antineutrino como bien nos has explicado en la serie. Pero al estar en los el núcleo la presencia de los piones hace que los neutrones se descompongan en proton + pion. Parece que esta descomposición incita a que algún proton de ese núcleo se descomponga en neutron + pion. Los piones de la descomposición del neutron y del proton son de signos contarios. Desde fuera el núcleo parece estable, pero dentro hay continuas, aunque equilibradas, mutaciones de neutrones en protones y viceversa.

¿Lo he interpretado bien? Si es qu sí. ¿La esperanza de vida de los protones es mayor de 10^ 35 en los nucleos?

De:
2013-12-22 12:50

dices que los piones no son particulas elementales por estar formadas por quarks,pero,si los protones y los neutrones tambien estan formados por quarks,¿por que estos si son particulas elementales?

De: Pedro
2013-12-22 14:15

Lee el segundo párrafo de http://eltamiz.com/2007/05/26/esas-maravillosas-particulas-el-proton/ :)

De: soniaarf
2015-02-22 12:22

Muchas gracias por tus explicaciones soy profesora de Secundaria y me despejan muchas dudas. La información del ppión es estupenda.

De: cecilio
2015-05-14 20:37

si para "crear" determinadas partículas se necesita mucha energía y luego no "duran" nada...¿puede decirse que no "existen"en codiciones normales?... Fantástico blog.Un saludo y a recuperarse que estoy esperando ansioso la continuación de las cuatro fuerzas.

De: Blas
2015-05-15 13:33

Estaríamos hablando entonces de partículas virtuales que son creadas al menos en tres de las cuatro fuerzas fundamentales , en el magnetismo tenemos al fotón virtual , si alguien tiene mas info. Que la suba por favor

De: Roger Balsach
2015-05-15 22:26

Blas, creo que cecilio no se refería exactamente a ésto. Los piones, si no recuerdo mal (hace mucho que leí el artículo) son partículas extremadamente inestables, es decir, se desintegran o decaen en otras partículas muy rápidamente. Por ésto creo que cecilio dice que podríamos considerar que "no existen". Pero los piones no son partículas virtuales (aunque no sé mucho del tema, supongo que debe haber piones reales y virtuales, como todas las partículas).

Roger ;)

De: blas
2015-05-16 21:07

Roger: totalmente de acuerdo contigo ,la diferencia radicaría en que las virtuales cuando aparecen violan la ley de conservación de masa/energía ,ademas que su origen parece ser el vacío cuántico ; que de vacío no tiene nada parece ,porque si es capaz de generar tanta energía ,esta misma es convertible en materia . entonces donde queda el vacío?

De:
2015-07-29 19:51

quien me ayuda con esta duda??.. Entiendo que dentro de los protones y neutrones se encuentran los quarks entre ellos interactuan por medio de los gluones y pues ese fenomeno lo entiendo como fuerza nuclear fuerte es decir a mayor distancia mayor fuerza entre ellos lo contrario con el resto de la fuerzas. y ahora,el nucleo del atomo lo conforma los protones y neutrones y entre ellos interactuan por medio de los piones y boson w y boson z. bueno y tenia entendido que la fuerza que une a los protones y neitrones se conoce como fuerza de corta distancia o fuerza nuclear debil pero leo aca y en un par de articulos tambien que describen el intercambio de piones como fuerza nuclear fuerte. me siento confundido jajaja ayuda.....

De: Roger Balsach
2015-07-29 22:46

Anonimo:

No se exactamente como funcionan las fuerzas nucleares (pues mis conocimientos se quedan en gravedad y electromagnetismo), pero creo que algo puedo aportar. Primero: la fuerza que une a los protones y los neutrones es la fuerza nuclear fuerte, la misma que une a los quarks. Solo que, entre quarks es el gluon el que se encarga de transmitir la fuerza y entre nucleones son los piones.

La fuerza nuclear débil es la que, dicho mal y pronto, convierte unas partículas en otras. Más técnicamente creo que era algo como que cambiaba el sabor de las partículas (osea, convertía, por ejemplo un quark u en un d).

No se si te ha servido, espero que algo sí. Roger ;)

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