¿Por qué todos los mesones son inestables?

Casi tienes razón acerca de que los quarks y los antiquarks se aniquilan dentro del mesón, pero por ejemplo, un π ⁺ contiene un quark up y un anti-down, y esos no son antipartículas entre sí.

La imagen que dibuja la física de partículas tiene un montón de cantidades conservadas, y más o menos todo lo que obedece a todas las leyes de conservación sucede a un ritmo u otro. Ahora se sabe que algunas de estas leyes de conservación son mentiras (rarezas relacionadas con el mecanismo de Higgs y las oscilaciones de sabor de los neutrinos y demás), pero en realidad no soy un físico de partículas y esas cosas van más allá de mi conocimiento. Pero puedo decirles mi comprensión de lo que sabemos.

Las cantidades conservadas intrínsecas que tiene cada partícula son:

• un número bariónicoB
• tres números de leptones: un número de electrones Ne, un número de muones Nμy un número de tauNτ
• un isospin T(más formalmente el "tercer componente del isospin débil")
• una hipercarga Y(más formalmente la "hipercarga débil")

Otras cantidades conservadas como la carga eléctrica son una combinación lineal de las anteriores. Para las partículas de materia conocidas ("fermiones" en oposición a "bosones" que son partículas de fuerza), estos números son,

                      B   Ne   Nμ   Nτ      T      Y
e-neutrino            0    1    0    0     1/2    -1
μ-neutrino            0    0    1    0     1/2    -1
τ-neutrino            0    0    0    1     1/2    -1
electron              0    1    0    0    -1/2    -1
muon                  0    0    1    0    -1/2    -1
tau                   0    0    0    1    -1/2    -1
up/charm/top         1/3   0    0    0     1/2   +1/3
down/strange/bottom  1/3   0    0    0    -1/2   +1/3

Y, por supuesto, hay una antipartícula para cada uno de estos que tiene todos sus números cuánticos arriba invertidos en signo. Entonces, un anti-abajo tiene un número bariónico$-1/3$, cero para sus números de leptones, un isospín de$+1/2$y una hipercarga de$-1/3$.

De esta tabla, los mesones tienen un número bariónico neto 0 y una hipercarga neta 0. Pero pueden tener un isospin neto de -1 (p. ej., arriba + anti-abajo) o 0 (p. ej., arriba + anti-arriba) o +1 (p. ej., extraño + anti-arriba.)

Ahora, todas las interacciones de materia involucran exactamente 3 partículas: dos partículas de materia y una partícula de fuerza. Las partículas de fuerza en las que dos partículas pueden aniquilarse son,

     B   Ne   Nμ   Nτ    T    Y
W+   0    0    0    0   +1    0
W-   0    0    0    0   -1    0
Z0   0    0    0    0    0    0
γ    0    0    0    0   0    0

Los bosones W y Z tienen masas enormes, mucho más grandes que los piones, por lo que los piones estrictamente hablando no pueden descomponerse en ellos. sin embargo, a través de la magia del túnel cuántico, el universo puede usar este estado prohibido clásicamente como un estado intermedio para saltar a un nivel de energía permanente más bajo, a costa de ralentizar el proceso.

El fotón (representado por la letra griega γ arriba) por el contrario, no tiene masa y se puede ver la aniquilación directa de los mesones neutros en él. Sin embargo, debido a que no tiene masa, un solo fotón no puede tener simultáneamente energía y momento cero: por lo tanto, si los quarks se aniquilan desde el reposo, en realidad se necesitan dos fotones que vayan en direcciones opuestas para conservar tanto la energía como el momento. (Hay otra ligera diferencia entre el bosón Z y la gamma, que es que la gamma no acopla las diferentes familias de partículas anteriores, y solo interactúa con las partículas cargadas, no con los neutrinos).

El pion π ⁺ se desintegra de manera similar, pero solo porque su quark arriba y anti-abajo se fusionan en un bosón W ⁺ por tiempo cero, después de lo cual el W ⁺ debe decaer en dos partículas, totalmente menos masivas que el π ⁺ , que también tienen la suma anterior de números cuánticos. En este caso, solo hay dos opciones de este tipo: positrón (antielectrón) más e-neutrino, o anti-muón más μ-neutrino.

Resulta que el caso del muón es abrumadoramente más probable, y esto tiene una razón complicada detrás de esto que en última instancia se reduce a que "el muón es más masivo, y las cosas más masivas son más fáciles de descomponer para los bosones W". (El efecto se llama técnicamente "supresión de la helicidad".) Pero los muones se descomponen en electrones con el tiempo, por lo que eventualmente terminas con un π ⁺ libre que se convierte en un positrón, emitiendo el exceso de masa como un montón de neutrinos. Primero se descompone en un antimuón después de una vida media de 26 nanosegundos, luego el antimuón se desintegra en un positrón después de una vida media más larga de aproximadamente 2 microsegundos, lo cual, lo adivinó, es largo porque necesita desintegrarse en un μ-neutrino a través de un segundo$W^+$, y eso$W^+$luego decae instantáneamente en el positrón y un e-neutrino.

El pion π ⁰ con 0 isospin es aún más desafortunado, porque hay una partícula de menor masa en la que puede decaer directamente (que tiene B = N_ = T = Y = 0), y ese es el fotón. Necesita dos fotones para conservar adecuadamente el impulso, pero esa es la única sutileza. Por lo tanto, tienen una vida útil increíblemente corta (¡84 atto segundos!) porque de hecho es una especie de "aniquilación de quarks y antiquarks".

Pero espero que todo este comentario les haya enseñado que no existe una verdadera aniquilación en la física de partículas y, en cierto sentido, los piones cargados también se "aniquilan" en gran medida de la misma manera, solo que con diferentes estados intermedios. No hay aniquilación, solo la fuerza implacable de la entropía que se esfuerza por esparcir más y más energías alrededor del cosmos.

Son inestables porque hay partículas más ligeras en las que pueden desintegrarse, de acuerdo con las simetrías del modelo estándar.

Bien se puede pensar en la aniquilación del quark y el antiquark.