Esas maravillosas partículas – 11/22 – 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.

¿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 a la -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.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com