Mesones
Los mesones son partículas subatómicas formadas por un número igual de quarks y antiquarks - generalmente un solo par $q\bar{q}$ - unidos por la interacción fuerte.
No son partículas elementales, sino compuestas, y forman parte de la familia de los hadrones, junto con los bariones.
Al poseer espín entero (0 o 1), los mesones son bosones y obedecen las estadísticas de Bose-Einstein.
Un mesón se origina a partir de la combinación de:
- un quark (por ejemplo, $u$, $d$, $s$, $c$, $b$, $t$)
- un antiquark (por ejemplo, $\bar{u}$, $\bar{d}$, $\bar{s}$, $\bar{c}$, $\bar{b}$, $\bar{t}$)
El quark y el antiquark pueden ser del mismo tipo (por ejemplo, $c\bar{c}$) o de tipos distintos (por ejemplo, $u\bar{d}$).
Por ejemplo, el mesón $\pi^+$ está compuesto por un quark $u$ y un antiquark $\bar{d}$. El mesón $K^0$ contiene un quark $d$ y un antiquark $\bar{s}$. El mesón $J/\psi$ está formado por un quark $c$ (encanto) y un antiquark $\bar{c}$, y así sucesivamente.
Aunque en principio los mesones podrían incluir combinaciones más complejas de quarks y antiquarks (como $cc\bar{c}\bar{c}$), por definición se limitan a sistemas sencillos de tipo $q\bar{q}$.
Los estados con cuatro quarks (tetraquarks) se consideran generalmente «exóticos».
Los mesones son inestables y se desintegran con rapidez en otras partículas - como fotones, electrones, muones o neutrinos - según su naturaleza.
Los mesones más ligeros suelen tener una vida media más larga y se detectan con mayor facilidad en los rayos cósmicos.
Por ejemplo, el pión neutro $\pi^0$ se desintegra en dos fotones $\gamma$, mientras que el kaón cargado $K^+$ puede transformarse en un muón $\mu^+$ y un neutrino $\nu_\mu$.
¿Por qué “mesón”?
La palabra “mesón” proviene del griego “mesos”, que significa “intermedio”. Se adoptó este término porque inicialmente se pensaba que sus masas se situaban entre la del electrón, más ligero, y la del protón, más pesado.
Nota. En 1935, el físico japonés Hideki Yukawa predijo la existencia de una partícula mediadora de la interacción fuerte: un mesón con una masa intermedia entre la del electrón y el protón. En 1947 se detectó experimentalmente el primer mesón: el pión $\pi$.
Hoy en día, la masa por sí sola ya no se considera un criterio suficiente para definir un mesón, aunque el término se ha conservado por tradición histórica.
De hecho, actualmente se conocen muchos mesones con masas superiores a la del protón.
Asimismo, existen otras partículas - como los leptones pesados (muón y tau) - cuya masa se encuentra entre la del electrón y el protón, pero que no son mesones porque no están formadas por quarks.
En resumen, no todos los mesones tienen masas intermedias entre la del electrón y el protón, ni todas las partículas en ese intervalo de masas son mesones.
El papel de los mesones en las interacciones fundamentales
Aunque son compuestos, los mesones pueden actuar - en determinadas escalas - como portadores efectivos de la interacción fuerte entre protones y neutrones en los núcleos atómicos.
Los mesones más ligeros, en especial los piones ($\pi^+$, $\pi^-$, $\pi^0$), desempeñan un papel esencial en las interacciones nucleares.
Mesones ligeros y la fuerza nuclear residual
Los piones son los responsables de la fuerza nuclear residual, que mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones) dentro del núcleo.
Esta fuerza actúa a distancias extremadamente cortas - del orden de algunos femtómetros - y constituye en realidad un remanente de la interacción fuerte que liga a los quarks dentro de los nucleones.
Por ejemplo, dos protones - que normalmente se repelerían debido a la fuerza electrostática - permanecen ligados en el núcleo gracias al intercambio continuo de piones.
Interacciones múltiples: fuerte, débil y electromagnética
Al estar compuestos por quarks, los mesones participan en las tres interacciones fundamentales que afectan a las partículas con masa:
- Interacción fuerte: Es la fuerza principal que los mantiene unidos mediante gluones. Los mesones intervienen tanto en colisiones y transformaciones dentro de los núcleos como en experimentos de alta energía.
- Interacción débil: Los mesones se desintegran a través de esta fuerza. Por ejemplo, en $\pi^+ \to \mu^+ + \nu_\mu$, un pión se transforma en un muón y un neutrino.
- Interacción electromagnética: Los mesones con carga eléctrica neta (como $\pi^+$ o $K^-$) responden a los campos electromagnéticos, curvándose en un campo magnético o emitiendo radiación al ser acelerados.
Los mesones ocupan un lugar particular en la arquitectura de la materia, actuando como un puente entre los nucleones y los quarks.
No son constituyentes estables como los protones o los electrones, pero representan las partículas más sencillas que muestran de manera clara el comportamiento cuántico de la interacción fuerte a nivel de quarks.
Resultan esenciales para comprender la estabilidad nuclear, los procesos de transmutación de partículas y la relación entre la materia y las fuerzas fundamentales.
Mesones representativos
A continuación se ofrece una lista de algunos de los mesones más relevantes, junto con una breve descripción de sus propiedades más destacadas.
| Mesón | Composición | Espín | Características principales |
|---|---|---|---|
| Pión \( \pi^+ \) | \( u\overline{d} \) | 0 | El mesón más ligero; participa en procesos de desintegración nuclear |
| Pión \( \pi^- \) | \( d\overline{u} \) | 0 | Se produce en los rayos cósmicos y en colisiones de alta energía |
| Pión \( \pi^0 \) | \( \frac{1}{\sqrt{2}} (u\overline{u} - d\overline{d}) \) | 0 | Mesón neutro; se desintegra muy rápido en dos fotones |
| Kaón \( K^+ \) | \( u\overline{s} \) | 0 | Fundamental en el estudio de la violación de la simetría CP |
| Kaón \( K^- \) | \( s\overline{u} \) | 0 | Se desintegra mediante la interacción débil |
| Kaón \( K^0 \) | \( d\overline{s} \) | 0 | Da lugar a sistemas oscilantes \( K^0 \) / \( \overline{K}^0 \) |
| J/psi | \( c\overline{c} \) | 1 | Descubierto en 1974; destaca por su vida media inusualmente larga |
| Mesón D | \( c\overline{d} \) o \( c\overline{u} \) | 0 | Contiene un quark encanto; útil en el estudio de la interacción débil |
| Mesón B | \( b\overline{u} \), \( b\overline{d} \), etc. | 0 o 1 | Esencial para poner a prueba la violación de simetrías fundamentales |
Historia
En los primeros modelos atómicos no estaba claro qué mantenía unido al núcleo e impedía que se desintegrara. Los protones, todos con carga positiva, deberían repelerse con fuerza a causa de la interacción electrostática.
Para explicar la estabilidad de los núcleos, los físicos plantearon la existencia de una fuerza mucho más poderosa, capaz de vencer la repulsión eléctrica.
Esa fuerza recibió el nombre de interacción fuerte.
¿Por qué no la percibimos?
A pesar de su enorme intensidad, la interacción fuerte solo actúa a distancias ínfimas, comparables al tamaño de un núcleo atómico.
Por eso no la notamos en la vida cotidiana: casi todas las fuerzas que experimentamos - desde las reacciones químicas hasta los movimientos mecánicos - son de naturaleza electromagnética, con la gravedad como única excepción común.
La teoría de Yukawa (1934)
En 1934, el físico japonés Hideki Yukawa propuso que la fuerza fuerte entre los nucleones debía transmitirse mediante una partícula, de forma análoga a como el fotón transmite la fuerza electromagnética.
Para justificar el corto alcance de esta interacción, Yukawa dedujo que la partícula debía poseer masa, aproximadamente 300 veces mayor que la del electrón, es decir, alrededor de una sexta parte de la masa del protón.
El nacimiento del mesón
Como la masa prevista se situaba entre la del electrón y la del protón, la nueva partícula fue llamada mesón, del griego “mesos”, que significa “intermedio”.
En aquel tiempo, los electrones ya se clasificaban como leptones (“ligeros”), mientras que protones y neutrones se conocían como bariones (“pesados”).
Rayos cósmicos y el descubrimiento del muón
En 1937, dos equipos de investigación - uno encabezado por Anderson y Neddermeyer, y otro por Street y Stevenson - identificaron en los rayos cósmicos partículas de masa intermedia. Al principio parecían corresponder al mesón pronosticado por Yukawa.
Durante un tiempo se creyó que, por fin, se había hallado la partícula buscada.
No obstante, su masa difería ligeramente de lo esperado, su vida media no coincidía con las predicciones y apenas mostraba interacción con los núcleos, lo que hacía improbable que fuera la portadora de la fuerza fuerte.
En 1947, el grupo de Cecil Powell en Bristol, apoyándose en los trabajos teóricos de Marshak, demostró que aquella “partícula misteriosa” correspondía en realidad a dos especies distintas:
- El pión (π): la partícula predicha por Yukawa, que interactúa intensamente con los nucleones.
- El muón (μ): más ligero, ajeno a la interacción fuerte y con un comportamiento semejante al de un electrón pesado.
Los piones se generan en la alta atmósfera, pero se desintegran rápidamente.
Uno de sus productos de desintegración, el muón, posee una vida media mucho más larga y puede llegar hasta la superficie terrestre, lo que lo convierte en la partícula de rayos cósmicos más detectada en los laboratorios.
Aunque inicialmente fue clasificado como mesón por su masa, el muón no participa en la interacción fuerte.
Hoy en día se lo considera un leptón, no un mesón.
Y así, la historia de la interacción fuerte continuó desarrollándose…
