11.2 Leyes de conservación de las partículas

Conservación del número bariónico

Ninguna ley de conservación considerada hasta ahora impide que un neutrón decaiga mediante una reacción como

Este proceso conserva la carga, la energía y el momento. Sin embargo, no se produce porque viola la ley de conservación del número bariónico. Esta ley requiere que el número bariónico total de una reacción sea el mismo antes y después de que ocurra la misma. Para determinar el número bariónico total, a cada partícula elemental se le asigna un número bariónico B. El número bariónico tiene el valor $B=+1$ para los bariones, -1 para los antibariones y 0 para todas las demás partículas. Volviendo al caso anterior (el decaimiento del neutrón en un par electrón-positrón), el neutrón tiene un valor $B=+1,$ mientras que el electrón y el positrón tienen un valor de 0 cada uno. Así, el decaimiento no se produce porque el número bariónico total cambia de 1 a 0. Sin embargo, el proceso de colisión protón-antiprotón

satisface la ley de conservación del número bariónico porque el número bariónico es cero antes y después de la interacción. El número bariónico de varias partículas comunes se indica en la Tabla 11.2.

Conservación del número de Lepton

La conservación del número de Lepton establece que la suma de los números de leptones antes y después de la interacción debe ser la misma. Existen tres números leptónicosdiferentes: el número electrón-leptón $L_e,$ el número muon-leptón $L_{\mu },$ y el número tau-leptón $L_{\tau }.$ En cualquier interacción, cada una de estas cantidades debe conservarse por separado. Para los electrones y los neutrinos electrónicos, $L_e=1;$ para sus antipartículas, $L_e=\mathrm{-1};$ todas las demás partículas tienen $L_e=0.$ De manera similar, $L_{\mu }=1$ para muones y neutrinos muónicos, $L_{\mu }=\mathrm{-1}$ para sus antipartículas, y $L_{\mu }=0$ para todas las demás partículas. Finalmente, $L_{\tau }=1,\mathrm{-1}$, o 0, dependiendo de si tenemos un tau o neutrino tauónico, sus antipartículas, o cualquier otra partícula respectivamente. La conservación del número de leptones garantiza que el número de electrones y positrones en el universo permanece relativamente constante. (Nota: El número total de leptones, por lo que sabemos, se conserva en la naturaleza. Sin embargo, las observaciones han mostrado variaciones del número en la familia de leptones (por ejemplo, $L_e)$ en un fenómeno llamado oscilaciones de neutrinos.)

Para ilustrar la ley de conservación del número de leptones, considere el siguiente proceso conocido de decaimiento de dos pasos:

En el primer decaimiento, todos los números de leptones para ${\pi }^{+}$ son 0. Para los productos de este decaimiento, $L_{\mu }=\mathrm{-1}$ para ${\mu }^{+}$ y $L_{\mu }=1$ para ${\nu }_{\mu }.$ Por lo tanto, el número de muones-leptones se conserva. Ni los electrones ni los tau están involucrados en este decaimiento, por lo que $L_{\text{e}}=0$ y $L_{\tau }=0$ para la partícula inicial y todos los productos de decaimiento. Por lo tanto, los números electrón-leptón y tau-leptón también se conservan. En el segundo decaimiento, ${\mu }^{+}$ tiene un número de muon-leptón $L_{\mu }=\mathrm{-1},$ mientras que el número neto muon-leptón de los productos del decaimiento es $0+0+\left(\mathrm{-1}\right)=–1$. Por lo tanto, el número de muones-leptones se conserva. El número de electrones-leptones también se conserva, ya que $L_{\text{e}}=0$ para ${\mu }^{+}$, mientras que el número neto electrón-leptón de los productos del decaimiento es $\left(\mathrm{-1}\right)+1+0=0$. Por último, como en este decaimiento no intervienen taus ni neutrinos tauónicos, el número tau-leptón también se conserva.

Conservación de la extrañeza

A finales de la década de 1940 y a principios de 1950, los experimentos con rayos cósmicos revelaron la existencia de partículas que nunca se habían observado en la Tierra. Estas partículas se produjeron en colisiones de piones con protones o neutrones en la atmósfera. Su producción y decaimiento eran inusuales. Se produjeron en las interacciones nucleares fuertes de piones y nucleones, por lo que se dedujo que eran hadrones; sin embargo, su decaimiento fue mediado por la interacción nuclear débil, que actúa mucho más lentamente. Sus tiempos de vida fueron del orden de ${10}^{\mathrm{-10}}$ a ${10}^{\mathrm{-8}}\text{s},$ mientras que el tiempo de vida típico de una partícula que decae a través de la reacción nuclear fuerte es ${10}^{\mathrm{-23}}\text{s}.$ Estas partículas también eran inusuales porque siempre se producían en pares en las colisiones pion-nucleón. Por estas razones, estas partículas recién descubiertas fueron calificadas de extrañas. La producción y posterior decaimiento de un par de partículas extrañas se ilustra en la Figura 11.4 y sigue la reacción

La partícula lambda decae entonces a través de la interacción nuclear débil según

y el kaón decae a través de la interacción débil

Figura 11.4 Las interacciones de los hadrones. (a) Fotografía de la cámara de burbujas; (b) esquema que representa la fotografía.

Para racionalizar el comportamiento de estas extrañas partículas, los físicos de partículas inventaron una propiedad de las partículas que se conserva en las interacciones fuertes pero no en las débiles. Esta propiedad se denomina extrañeza y, como su nombre indica, está asociada a la presencia de un cuark extraño. La extrañeza de una partícula es igual al número de cuarks extraños de la partícula. La conservación de la extrañeza requiere que la extrañeza total de una reacción o decaimiento (sumando la extrañeza de todas las partículas) sea la misma antes y después de la interacción. La conservación de la extrañeza no es absoluta: Se conserva en las interacciones fuertes y en las electromagnéticas, pero no en las débiles. El número de extrañeza para varias partículas comunes se da en la Tabla 11.2.