Esas maravillosas partículas – 13/22 – 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, topni 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 a la -10 y 10 a la -8segundos (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 a la -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 (Debe entenderse como Σ con exponente positiva o negativa)(Σ+ y Σ-) tienen una vida media normal para un hiperón (unos 10 a la -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 a la -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.

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.

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