Partículas extrañas

Esta paradoja resultaba desconcertante, pues lo habitual es que las partículas generadas por la fuerza fuerte se desintegren también mediante procesos fuertes, que ocurren con extrema rapidez.

El descubrimiento

La primera partícula “extraña” fue detectada en 1947 por George Rochester y Clifford Butler, quienes observaron en una cámara de niebla las trayectorias producidas por los rayos cósmicos.

Identificaron una partícula neutra - hoy conocida como el kaón neutro ($K^0$) - con aproximadamente el doble de la masa de un pión y una vida media inusualmente larga para un producto de la interacción fuerte.

Dicha partícula se desintegraba en dos piones cargados mediante la interacción débil:

$K^{0} \rightarrow \pi^{+} + \pi^{-}$

Poco después se descubrieron también los kaones cargados ($K^+$), que igualmente presentaban vidas medias sorprendentemente largas y se desintegraban a través de procesos débiles, por ejemplo:

$K^{+} \rightarrow \pi^{+} + \pi^{+} + \pi^{-}$

Los kaones, al estar formados por un quark y un antiquark - incluyendo en este caso un quark extraño - y poseer espín entero, fueron clasificados dentro de la familia de los mesones, junto con los piones.

A lo largo de la década de 1950 se descubrió un amplio conjunto de partículas que contenían quarks extraños:

• Bariones: el barión $\Lambda$ (más pesado que el protón), junto con las familias $\Sigma$ y $\Xi$, todos ellos bariones masivos.
• Mesones: los mesones $\eta$ y $\phi$, ambos con contenido de quarks extraños.

En apenas unos años, el panorama relativamente sencillo de los años cuarenta - cuando se pensaba que el catálogo de partículas estaba casi completo tras el descubrimiento del neutrino y el muón - se transformó en un auténtico “zoológico de partículas”, con decenas de nuevos estados que reclamaban una clasificación coherente.

Nota. Este “zoológico de partículas” dio lugar, a comienzos de los años sesenta, al esquema de clasificación conocido como la Vía de los Ocho Pliegues (simetría SU(3)), desarrollado por Gell-Mann y Ne’eman, del cual surgió posteriormente el modelo de quarks, base de la física de partículas moderna.

Fue en ese mismo período cuando los físicos introdujeron un nuevo número cuántico - la extrañeza - para explicar la sorprendente longevidad de ciertas partículas generadas por la interacción fuerte, como los kaones y el barión $\Lambda$.

Las observaciones decisivas fueron las siguientes:

• La interacción fuerte conserva la extrañeza; por eso las partículas extrañas siempre se producen en pares (un quark extraño y un antiquark extraño).
• La interacción débil, en cambio, puede modificar la extrañeza, aunque lo hace en escalas de tiempo mucho más largas. De ahí que las partículas extrañas tengan vidas medias típicas de los decaimientos débiles (del orden de $10^{-10}$ s), varias magnitudes superiores a las de los decaimientos fuertes (aprox. $10^{-23}$ s).

El número cuántico de extrañeza $S$

Este concepto, formulado a principios de los años cincuenta por Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima, permitió sistematizar el comportamiento peculiar de las partículas extrañas (kaones, hiperones y otras) y poner de relieve dos hechos experimentales clave:

• Las partículas extrañas se producen fácilmente en interacciones fuertes, pero siempre en pares extraño - anti-extraño.
• Su vida media corresponde a procesos débiles, mucho más larga que la de estados que decaen mediante la fuerza fuerte.

En conclusión, la extrañeza se conserva en las interacciones fuertes y electromagnéticas, pero se viola en los procesos débiles, que pueden alterar el valor de $S$.

Convención de signo. Según la definición original de Gell-Mann, cada quark extraño posee $S = -1$, mientras que cada antiquark extraño tiene $S = +1$. Aunque la convención opuesta habría resultado más intuitiva, esta notación se ha consolidado como estándar.

Ejemplo

El kaón positivo $K^+$ está formado por un quark up ($u$) y un antiquark extraño ($\bar{s}$), lo que le confiere $S = +1$.

$$ K^+ = u\bar{s} \quad\Rightarrow\quad S = +1$$

El kaón negativo $K^-$ contiene un antiquark up ($\bar{u}$) y un quark extraño ($s$), de modo que su número de extrañeza es $S = -1$.

$$K^- = \bar{u}s \quad\Rightarrow \quad S = -1$$

El barión $\Lambda$ está compuesto por un quark up ($u$), un quark down ($d$) y un quark extraño ($s$), por lo que $S = -1$.

$$ \Lambda = uds \quad\Rightarrow \quad S = -1$$

En cambio, el protón se forma con dos quarks up ($u$) y un quark down ($d$), sin quarks extraños, de modo que $S = 0$.

$$ p =\; uud \quad \Rightarrow \quad\; S = 0$$

La siguiente tabla presenta algunos ejemplos de hadrones junto con su número cuántico de extrañeza $S$.

Partícula	Contenido en quarks	S	Notas
Protón (p)	u u d	0	Barión ligero y estable
Neutrón (n)	u d d	0	Barión ligero; decae por β
Pión π+	u d̄	0	Mesón pseudoscalar ligero
Pión π-	ū d	0	Mesón pseudoscalar ligero
Kaón K+	u s̄	+1	Mesón extraño cargado
Kaón K0	d s̄	+1	Mesón extraño neutro
Kaón K-	ū s	-1	Antipartícula del K+
Antikaón K̄0	d̄ s	-1	Antipartícula del K0
Λ0	u d s	-1	Barión extraño (Lambda)
Σ+	u u s	-1	Barión extraño (Sigma)
Σ0	u d s	-1	Barión extraño (Sigma)
Σ-	d d s	-1	Barión extraño (Sigma)
Ξ0	u s s	-2	Barión doblemente extraño (Xi)
Ξ-	d s s	-2	Barión doblemente extraño (Xi)
Ω-	s s s	-3	Barión triplemente extraño (Omega)

Conservación de la extrañeza

Como la fuerza fuerte preserva $S$, las partículas extrañas solo pueden formarse por pares: un quark extraño acompañado siempre de un antiquark extraño, de modo que la extrañeza total permanezca nula.

En consecuencia, nunca se produce una partícula extraña aislada en una interacción puramente fuerte.

Ejemplo 1: Producción de partículas extrañas mediante la interacción fuerte

Una colisión entre un pión y un protón puede dar lugar a un kaón neutro y a un barión $\Lambda$:

$$ \pi^- + p^+ \rightarrow K^0 + \Lambda $$

La extrañeza total inicial ($S_{\text{tot}} = 0$) coincide con la final ($+1 - 1 = 0$), lo que confirma la conservación de la extrañeza.

$$ \pi^- (S=0) + p^+ (S=0) \;\;\rightarrow\;\; K^0 (S = +1) + \Lambda (S = -1)\; $$

Ejemplo 2: Decaimiento débil de una partícula extraña

El barión $\Lambda$ puede desintegrarse en un protón y un pión:

$$ \Lambda \rightarrow p^+ + \pi^- $$

En este caso, la extrañeza total pasa de $-1$ a $0$, lo que muestra que el proceso está gobernado por la interacción débil, capaz de modificar $S$.

$$ \Lambda (S = -1) \;\;\rightarrow\;\; p^+ (S = 0) + \pi^- (S = 0)\; $$

¿Por qué las partículas extrañas se generan en pares?

Las partículas con extrañeza distinta de cero (\(S \neq 0\)) aparecen siempre en pares durante las interacciones fuertes, precisamente porque la extrañeza debe conservarse.

$$ S_{\text{inicial}} = S_{\text{final}} $$

Si el sistema inicial tiene una extrañeza total \(S = 0\) - como ocurre en la mayoría de las colisiones entre protones, neutrones o piones - , el estado final también debe mantener \(S = 0\).

De esta manera, las partículas extrañas producidas en procesos fuertes surgen inevitablemente en parejas partícula-antipartícula (una con extrañeza positiva y la otra con extrañeza negativa).

Ejemplo

Consideremos una colisión fuerte entre un pión y un protón:

$$ \pi^- + p \ \longrightarrow \ K^0 \ (S = +1) \ + \ \Lambda \ (S = -1) $$

En este caso, la extrañeza total pasa de \(0\) a \(+1 + (-1) = 0\), lo que confirma el principio de conservación.

Nota: En las interacciones débiles la extrañeza no se conserva. Un quark extraño puede transformarse en un quark up o down mediante la emisión o absorción de un bosón \(W\). Por eso, en las desintegraciones débiles las partículas extrañas pueden desaparecer sin que se forme necesariamente su partícula compañera.

Y así continúa la historia.