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Esas maravillosas partículas - Los hiperones

En la serie de Esas maravillosas partículas hemos hablado de algunas muy corrientes, como el electrón, y otras bastante “extrañas” (nunca mejor dicho), como el kaón. Hoy vamos a hablar de más partículas extrañas, aunque no de una sola sino de un grupo: los “bariones extraños”, o hiperones.

Aquí tienes el diagrama de las partículas vistas hasta ahora en la serie, incluidos los hiperones:

La razón de que dediquemos un artículo a un grupo de partículas y no a una en especial es que, por un lado, todos los hiperones tienen ciertas cosas en común de las que preferimos hablar en esta entrada y, por otro, varios de ellos son aún relativamente desconocidos, de modo que no sabemos demasiado sobre ellos. Estamos ya en la zona de Esas maravillosas partículas en la que rozamos la frontera de nuestro conocimiento de las partículas subatómicas.

¿Qué son los hiperones? Recordarás, espero, la anterior entrada acerca del kaón (si no la recuerdas, o no la has leído, deberías hacerlo antes de seguir con este artículo), en la que hablamos acerca de esa misteriosa propiedad, la extrañeza, similar a la carga o la masa, que poseían algunas partículas (las que contenían el quark strange o su antiquark). Bien, los hiperones son bariones que contienen, al menos, un quark extraño (strange o antistrange) pero no tienen quarks charm, top ni bottom (es decir, están compuestos de quarks “normales” y “extraños”).

Como, aunque hemos hablado de estos términos anteriormente en la serie, tanto nombre probablemente te hace pitar los oídos, recordemos brevemente: las partículas formadas por quarks se denominan hadrones, y se ven afectadas por la fuerza nuclear fuerte (de modo que pueden, por ejemplo, formar núcleos atómicos). Hay dos tipos de hadrones, los mesones (formados por dos quarks, que son bosones) y los bariones (formados por tres quarks, que son fermiones). Bien, los hiperones son “bariones extraños”, de modo que están formados por tres quarks, como el protón o el neutrón - pero con una diferencia fundamental.

Tanto el protón como el neutrón estaban formados por quarks up y down, de primera generación y, por lo tanto, relativamente estables. Pero, en el caso de los hiperones, al menos un quark es un quark strange, de modo que los hiperones tienen, además de carga y masa, extrañeza. Y, al ser el quark strange de segunda generación, los hiperones son todos muy inestables: por eso no has visto ninguno.

De hecho, los hiperones tienen todos vidas medias bastante cortas, de entre unos 10-10 y 10-8 segundos (salvo alguna excepción), de modo que no pueden formar parte de la materia normal: se forman cuando colisionan partículas muy energéticas y desaparecen bastante pronto. No tan pronto, generalmente, como cabría esperar: como recordarás de la entrada del kaón, la extrañeza debe conservarse salvo en las interacciones nucleares débiles, de modo que (salvo que el hiperón formado se encuentre con otro de extrañeza opuesta a la suya) pasa bastante más tiempo del que cabría esperar hasta que un hiperón se desintegra. Sí, 10-8 segundos es muy poco tiempo, pero es billones de veces más de lo que sería si no fuera por la extrañeza.

Estas partículas empezaron a descubrirse relativamente tarde, a finales de los años 40, debido a su corta vida media. Podríamos decir que hay tres grupos de hiperones: los que tienen dos quarks “normales” y uno extraño, los que tienen uno normal y dos extraños, y los que son completamente “extraños”.

Con un quark strange y dos quarks normales (up y down) existen tres posibilidades: down-down-strange, up-up-strange y down-up-strange. Estos tres hiperones son los hiperones sigma, y son representados con esa letra griega, Σ. Sin embargo, curiosamente no son los tres iguales: los dos primeros (Σ+ y Σ-) tienen una vida media normal para un hiperón (unos 10-10 segundos), pero el hiperón neutro del trío, el tercero (Σ0) es extraordinariamente inestable: en sólo 10-20 segundos se desintegra en un fotón y otro hiperón compuesto por los mismos tres quarks que él (up-down-strange) pero con menos masa (el exceso de masa se lo lleva, en forma de energía, el fotón liberado). Por eso suele decirse que Σ0 es una forma excitada del hiperón en el que se desintegra, denominado lambda, Λ0.

Desde luego, Λ0 tampoco es estable, y desaparece a su vez en 10-10 segundos, pero es mucho más estable que Σ0. Todos estos hiperones se desintegran, tarde o temprano, en piones, fotones y neutrones - y, como recordarás, los piones tampoco son estables, de modo que la cosa no se para ahí, sino que hay más desintegraciones en poco tiempo.

Los hiperones con dos quarks extraños son, lógicamente, dos: el strange-strange-up y el strange-strange-down. Ambos son denominados con la letra griega xi, y son el Ξ0 y el Ξ- respectivamente. Estos dos hiperones se desintegran en un hiperón Λ0 y un pión, los cuales a su vez se desintegran en otras partículas.

De hecho, hay otras partículas Ξ además de estas dos (aunque no hablemos de ellas aquí, por no tratarse de hiperones), y les ocurre algo parecido: se desintegran en partículas inestables, que se desintegran en partículas inestables, que… ¡es como una cascada de desintegraciones! A toda la familia Ξ se las denomina partículas cascada, debido a esto. Por cierto, la última de ellas (Ξ-b, compuesta por los quarks strange-bottom-down) ha sido observada por primera vez este mismo año en el Fermilab. Es la primera partícula subatómica observada que tiene un quark de cada familia.

Finalmente, la partícula más “extraña” de todas las que conocemos: la que está compuesta exclusivamente por quarks strange: la partícula Ω-, representada con la letra griega omega. Existe otra partícula omega, la Ω0c, pero ésa tiene un quark charmed, de modo que no es un hiperón. La importancia de Ω- es que su descubrimiento supuso el triunfo absoluto de la denominada Óctuple Vía de Murray Gell-Mann.


Estructura de la partícula omega. Crédito: Wikipedia (GPL).

Gell-Mann (quien, como recordarás, es prácticamente el “padre” de los quarks) organizó las partículas formadas por quarks en una serie de octetos y decenas, colocándolas en ellos de acuerdo con determinadas simetrías. Aunque no vamos a extendernos aquí acerca de la Óctuple Vía, sí es muy interesante el hecho de que, de acuerdo con sus reglas y los conjuntos de partículas que predice, es posible determinar las características de una partícula a partir del resto en su grupo. Por ejemplo, cuando Gell-Mann propuso su teoría, un grupo de partículas que deberían ser diez estaba incompleto: sólo había nueve.

En 1962, Gell-Mann utilizó las simetrías del modelo para predecir cómo debería ser esa partícula: su masa, su carga, su extrañeza… Dos años más tarde, en 1964, se descubrió Ω- y se midieron sus características. Gell-Mann había clavado absolutamente todas con su modelo. De modo que Ω- supuso el triunfo del modelo quark y la Vía Óctuple. ¿Puedes imaginar cómo se sentiría el físico cuando le dijeron que había acertado de pleno? Por cierto, en 1969 recibiría el Premio Nobel por su trabajo en este campo.

Curiosamente, aunque todos los hiperones, como hemos dicho, son inestables, su vida media es suficientemente larga como para formar núcleos atómicos durante cierto tiempo (bien, no llega a una millonésima de segundo, pero algo es algo). Estos “núcleos extraños” se denominan hipernúcleos, y fueron observados por primera vez en 1952. Hasta ahora hemos visto hipernúcleos que contienen protones, neutrones y partículas Λ0 y Σ.

Después de dedicar esta entrada a fermiones, es decir, componentes de la materia (aunque, como hemos visto, no durante mucho tiempo), dedicaremos el próximo artículo de la serie a un bosón, y el responsable de una de las interacciones fundamentales del Universo: el gluón.

Ciencia, Esas maravillosas partículas, Física

17 comentarios

De: Manuko
2007-09-17 23:08:07

Creo que me he perdido... ¿qué tipo de radiacción es ese fotón que emiten los hiperones? ¿Gamma? ¿O varía?


De: Pedro
2007-09-18 06:48:51

Manuko,

Cuando cualquier partícula se desintegra y parte de su masa se convierte en energía, la energía es tan grande que se trata siempre de fotones gamma.


De: Nikolai
2007-09-18 15:58:02

Excelente!!!!!!!


De: otanion
2007-09-19 20:06:11

esto cada vez se va poniendo mas emocionante. Y más liosoooo!! xDDD


De: pako
2007-10-02 17:10:53

Me acabo de enganchar a esto. Sencillamente buenisimo.
Ya era hora de que estas cosas fueran explicadas de forma asequible al comun de los mortales ( cuando yo estudié esto en BUP solo nos explicaban los neutrones, los protones y los orbitales de los electrones. Veo que las cosas han avanzado un poco).
Como soy casi de letras, a estas alturas de la serie tengo algunas dudas bastante elementales:
1.- estas ultimas paticulas tan fugaces y tan "extrañas" ( kaones, tauones, hiperones...) ¿de donde salen? ¿solo se encuentran fugazmente en los aceleradores de particulas o existen de forma masiva en algun otro lugar del universo?¿cual sería su procedencia?
2.- si no estoy equivocado, todos los bosones son mediadores de fuerzas; los kaones son tambien bosones ¿verdad? ¿de que tipo de fuerza son mediadores?
Gracias y enhorabuena, Pedro. Lo estoy pasando en grande


De: Pedro
2007-10-02 20:21:24

pako,


  1. Estas partículas, al ser inestables, sólo existen durante un tiempo muy corto en lugares en los que se producen, de forma artificial (como en los aceleradores) o natural (como por ejemplo al llegar rayos cósmicos a la Tierra). No hay ningún sitio en el que existan durante mucho tiempo.


  2. No todos los bosones son responsables de una interacción fundamental (si no, habría docenas de ellas) - sólo los bosones denominados "de gauge" lo son, y los kaones no son uno de estos bosones. Hablaremos de esos bosones cuando tratemos la serie de "las cuatro fuerzas".


¡Me alegro de que estés disfrutando! A seguir, a seguir...


De: carlos
2007-11-06 14:52:22

hola, me gustaría saber más acerca de la partícula Ω- y sus características. Supongo que será más estable que el resto de hiperones. ¿Es así?
Gracias por la web. Me gusta mucho


De: RAFAEL
2007-12-01 10:29:49

HOLA, ME GUSTARÍA SABER MÁS SOBRE LAS PARTÍCULAS, ESPECIALMENTE SOBRE EL HIPERÓN Y LOS NEUTRINOS


De: xx32
2008-03-14 23:46:38

¿puede dedicar una entrada a los hadrones?
si es así, requeriría su cuadrito.
espero respuesta.
te quedan bien los artículos


De: templarian
2008-09-14 13:13:29

Estimado Pedro,

Este es mi primer comentario... he descubierto este (maravilloso) blog hace poco y estoy disfrutando como un enano con esta serie de Partículas y también con la de Cuántica. Así que aprovecho para felicitarte por tu excelente trabajo (lo es, de verdad), y para agradecerte el esfuerzo y el tiempo dedicado.

Aparte de esto, quería hacerte una pregunta que, tal vez, resulte clarificadora. Como muchos más, agradezco el espléndido gráfico que acompaña a cada edición de la serie, y es cierto que es fácil perderse entre los fermiones, los bosones y las distintas generaciones... Así que no sólo la taxonomía, hasta el código de colores es imprescindible. Pero en esta entrada, precisamente, en la de los hiperones, es donde me queda un "hueco", porque no sé muy bien dónde encajar algunas partículas.

Dado que en el gráfico has puesto "hiperones", en plural, no tenemos la enumeración, pero del texto deduzco que los hiperones son (siento no ponerlo con caracteres griegos, pero no sé muy bien como hacerlo):

Sigma-+, Sigma--, Sigma-0, Lambda-0, Xi-0, Xi-- y la Omega--.

Creo que está completa y no se me ha escapado ninguna... pero ¿y las demás que mencionas? Me refiero a (en esta entrada al menos) las partículas Xi que no son hiperones (las "partículas cascada"), como la Xi-b- (imagino que con un quark bottom), o también la Omega-c-. De acuerdo, son todas partículas inestables, pero entiendo que son partículas en todo caso, así que mi pregunta es... ¿dónde encajan éstas? No son hiperones, de acuerdo, porque no tienen los quarks correctos. Supongo que no son mesones, sino bariones, ¿o no todas tienen tres quarks?

En resumen, ¿dónde encajarían esas partículas? ¿No existe un nombre "colectivo" para todas ellas? Asumo que son parte del modelo estándar (al menos son compatibles con él), pero ¿ocupan algún lugar en él o son meras combinaciones "accidentales"?

Supongo que es tarde para preguntarlo (soy consciente de que hace un año que escribiste esta entrada), pero gracias en cualquier caso.


De: Pedro
2008-09-14 17:33:24

templarian,


En resumen, ¿dónde encajarían esas partículas? ¿No existe un nombre “colectivo” para todas ellas? Asumo que son parte del modelo estándar (al menos son compatibles con él), pero ¿ocupan algún lugar en él o son meras combinaciones “accidentales”?


No existe un nombre colectivo que yo conozca, y hay unas cuantas, puesto que puedes imaginar combinaciones de tres quarks a tutiplén, y sí que son parte del modelo estándar y están predichas por él. No hablé de ellas en la serie de forma individual porque la mayor parte no son muy interesantes (son muy inestables y no hay mucho que contar sobre ellas), y no lo hice en grupo porque no hay mucho que las "agrupe" como sucede con los hiperones. (Tampoco hablamos de todos los mesones, que recuerde, aunque hace bastante tiempo de esto, pero sí de los más importantes).


De: Christian
2009-02-20 23:36:04

pedro:

Tienen algun nombre en especial los bariones que tienen quarks charmed?
y la otra pregunta : todavia no se descubren hiperones con quarks top?


De: Pedro
2009-02-21 08:22:44

@ Christian,

Los bariones con algún charm se llaman "encantados" (charmed baryons): http://en.wikipedia.org/wiki/Charmed_baryon

Respecto a lo segundo, que yo sepa no se ha descubierto ninguno, no.


De: Antón
2009-04-13 20:31:28

Yo estoy en el mismo orden de enanos satisfechos de Templarian. Muchas gracias y felicitaciones por tu metodología al alcance de los iletrados en ciencia como yo. Tu blog me ha sacado del mar de confusiones en que yo estaba sumido.


De: Battosay
2011-09-17 13:51:04

Me estoy releyendo la serie de nuevo y me han entrado unas dudas al leer esta entrada.

1.- Una partícula Sigma-0 se desintegra en una Lambda-0, que está formada por los mismos quarks exactamente. Teniendo en cuenta el principio de conservación de la masa-energía, puedo entenderlo. Pero mi duda es, ¿qué era esa energía en exceso que tenía? Supongo que debe de ser algo característico de la propia partícula, si no, no se podría distinguir una Sigma-0 de una Lambda-0.

2.- ¿Existe algún caso parecido más? Es decir, algún par de partículas que, estando formadas por lo mismo, sean diferentes.

3.- Si los quarks strange confieren la propiedad de extrañeza, ¿los charm confieren la propiedad "encanto" o el "encanto" sería lo mismo que "-extrañeza"? Es decir, como carga eléctrica negativa y positiva.

4.- ¿Los quark top y bottom confieren alguna propiedad del estilo de los extraños?

Muchas gracias por tu tiempo.


De: Pedro
2011-09-19 07:28:03

Battosay, disculpa la tardanza, llevo unos días sin tener tiempo de leer comentarios:

1 - Es algo parecido a un átomo con electrones excitados: tiene la misma composición que uno con los electrones sin excitar, pero más masa (y energía).

2 - Seguramente, pero tendría que buscar para encontrarlos, tal vez alguien más te pueda dar algún ejemplo.


  1. Sí, http://en.wikipedia.org/wiki/Charm_(quantum_number)


  2. No, estos dos se distinguen por la carga eléctrica normal.


Espero que te haya resuelto al menos algunas :)


De: Yasline
2015-11-27 23:42

Cómo está subdivida los hiperones??

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