Kaón para niños
En la física de partículas, un kaón (también conocido como mesón K) es un tipo de mesón, que es una partícula subatómica. Los kaones son especiales porque tienen una característica llamada "extrañeza", que es un número cuántico.
Al principio, los científicos notaron algo curioso sobre estas partículas. Aunque se formaban muy rápido por una fuerza llamada interacción fuerte, se desintegraban (desaparecían) mucho más lento de lo esperado, usando una fuerza diferente llamada interacción débil. Por eso, al principio las llamaron "partículas extrañas", y de ahí viene el nombre de la "extrañeza".
Según el modelo quark, los kaones están hechos de dos quarks: uno de ellos es un quark o antiquark "extraño".
Contenido
¿Qué son los Kaones?
Existen cuatro tipos principales de kaones:
- El kaón con carga negativa, K-. Está formado por un quark extraño y un antiquark arriba. Tiene una masa de aproximadamente 493.667 MeV (megaelectronvoltios) y una vida media de unos 1.2384 x 10-8 segundos.
- Su antipartícula, el kaón con carga positiva, K+. Está hecho de un quark arriba y un antiquark extraño. Se espera que tenga la misma masa y vida media que el K-.
- El K0 (kaón neutro). Contiene un quark abajo y un antiquark extraño. Su masa es de unos 497.648 MeV.
- Su antipartícula, que tiene la misma masa.
En el modelo de quarks, los kaones se agrupan en "dobletes", lo que significa que se presentan en pares con propiedades relacionadas.
Propiedades de los Kaones
Los kaones tienen diferentes formas de desintegrarse. Por ejemplo, el kaón cargado positivamente (K+) puede desintegrarse principalmente en:
- Un muon positivo y un neutrino (aproximadamente el 63% de las veces).
- Un pion positivo y un pion neutro (aproximadamente el 21% de las veces).
- Tres piones (aproximadamente el 6% de las veces).
- Un pion neutro, un positrón y un neutrino (aproximadamente el 5% de las veces).
El Descubrimiento de la Extrañeza
El descubrimiento de partículas con esta propiedad llamada "extrañeza" fue un momento muy emocionante en la física de partículas.
En 1947, dos científicos, G.D. Rochester y C.C. Butler, tomaron fotografías en una cámara de niebla que mostraban algo nuevo. Vieron partículas que parecían desintegrarse en otras más conocidas, como los piones. Estas nuevas partículas tenían una masa que era aproximadamente la mitad de la de un protón. Al principio, las llamaron "Partículas V" por la forma de sus trayectorias.
Con el tiempo, se realizaron más experimentos en lugares como el Caltech y en cimas de montañas para estudiar estas partículas. En 1953, se les dio nombres más específicos:
- "Mesón L" para partículas como el muon o el pion.
- "Mesón K" para partículas con una masa entre la del pion y la del nucleón (como el protón o el neutrón).
- "Hiperón" para cualquier partícula más pesada que un nucleón.
Lo más sorprendente de estas nuevas partículas era que, aunque se producían muy rápido (en unos 10-23 segundos), se desintegraban muy lentamente (en unos 10-10 segundos). Esta gran diferencia de tiempo era un misterio.
Abraham Pais resolvió este misterio proponiendo la existencia de un nuevo número cuántico: la "extrañeza". Él sugirió que la extrañeza se mantiene igual en las interacciones fuertes (que son muy rápidas), pero no se mantiene en las interacciones débiles (que son más lentas). Esto explicaba por qué las partículas "extrañas" se producían rápido pero se desintegraban despacio. También se descubrió que las partículas extrañas siempre se producían en pares, una "extraña" y una "anti-extraña".
El Enigma τ-θ y la Paridad
Los científicos descubrieron que los mesones con extrañeza podían desintegrarse de dos maneras diferentes:
- Una forma producía un pion positivo y un pion neutro.
- Otra forma producía tres piones (dos positivos y uno negativo).
Al principio, se pensó que estas dos formas de desintegración debían provenir de dos partículas diferentes, porque los resultados finales tenían una propiedad llamada "paridad" distinta. Sin embargo, cuando midieron con más precisión, se dieron cuenta de que las masas y los tiempos de vida de las partículas iniciales eran idénticos. Esto significaba que ¡eran la misma partícula! Este problema se conoció como el "enigma τ-θ".
La solución llegó con el descubrimiento de que la paridad no siempre se conserva en las interacciones débiles. Como los mesones K se desintegran a través de la interacción débil, no es necesario que la paridad se conserve. Así, la misma partícula (el K+) podía desintegrarse de ambas maneras.
Violación CP en Kaones Neutros
Después de entender la paridad, los científicos pensaron que otra simetría, llamada simetría CP, sí se conservaba. La simetría CP combina la conjugación de carga (cambiar partícula por antipartícula) y la paridad. Sin embargo, el estudio de los kaones neutros reveló algo inesperado sobre esta simetría.
Mezcla de Kaones Neutros
Los kaones neutros son especiales porque pueden transformarse en sus propias antipartículas y viceversa. Esto se llama "oscilación de partículas neutras". Imagina que un kaón neutro es como un interruptor que cambia de posición constantemente.
Debido a esta mezcla, los kaones neutros se entienden mejor como dos tipos diferentes con vidas medias muy distintas:
- Los KL ("K-largos"): Son kaones neutros de vida media larga, que se desintegran principalmente en tres piones. Su vida media es de unos 5.18 x 10-8 segundos.
- Los KS ("K-cortos"): Son kaones neutros de vida media corta, que se desintegran en dos piones. Su vida media es mucho más corta, de unos 8.958 x 10-11 segundos.
La Violación CP
En 1964, los científicos James Cronin y Val Fitch hicieron un descubrimiento muy importante. Encontraron que los K-largos, que se suponía que solo se desintegraban en tres piones, a veces se desintegraban en dos piones. Esto era una sorpresa porque, según la simetría CP, esto no debería ocurrir.
Este hallazgo fue la primera evidencia de que la simetría CP no se conserva siempre en la naturaleza. Esto significa que las leyes de la física no son exactamente las mismas si se intercambian partículas por antipartículas y se invierte el espacio. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física en 1980 por este descubrimiento.
La violación CP puede ocurrir de dos maneras:
- Violación CP indirecta: Se debe a la mezcla entre el kaón neutro y su antipartícula.
- Violación CP directa: Ocurre durante el proceso de desintegración de la partícula.
Ambos tipos de violación CP están presentes en los kaones y son muy importantes para entender cómo funciona el universo.
Véase también
En inglés: Kaon Facts for Kids
