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¿Por qué el pión puede decaer en dos fotones?

El pión neutro pertenece al octeto de mesones pseudoescalares, por lo que tiene, en el estado básico ( $L=0$ ):

\begin{align} P_{\pi^0}&=-1 \\ C_{\pi^0}&=+1. \end{align}

Y el fotón tiene

\begin{align} P_\gamma = -1 \\ C_\gamma=-1. \end{align}

Por lo tanto, dado que las interacciones electromagnéticas conservan la paridad y la conjugación de cargas, ¿por qué el proceso

\begin{equation} \pi^0 \rightarrow \gamma\gamma \end{equation} ¿Ocurre? ¿No viola la paridad?

En el ejemplo que he visto en clase, $C$ conservación se utiliza para explicar por qué el $\pi^0$ no puede decaer en tres fotones, ya que para $\pi^0 \rightarrow \gamma\gamma\gamma$ tenemos

\begin{equation} C_i = +1 \neq C_f = (-1)^3 = -1 \end{equation}

y, para $\pi^0 \rightarrow \gamma\gamma$ ,

\begin{equation} C_i = +1 = C_f = (-1)^2 = +1, \end{equation} así que con respecto a $C$ la conservación debería estar permitida. Pero, considerando la conservación de P,

\begin{align} \pi^0 \rightarrow \gamma\gamma \qquad \Rightarrow \qquad P_i = (-1)^{L}\times \underbrace{(-1)}_{\text{intrinsic parity}} = -1 \neq P_f = (-1)^2 = +1 \end{align} por lo que estaría prohibido que $L=0$ . Y, con el mismo argumento, se permitiría la descomposición en tres fotones.

¿Qué me falta?

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Gurch Puntos 29

Los fotones tienen espín intrínseco (o, mejor, helicidad) uno, por lo que el par puede tener impar orbital momento angular, conservando todavía total momento angular (que tiene que ser cero, ya que el pión no tiene espín).

En concreto, los espines de los dos fotones pueden combinarse para dar el espín total $S=1$ . Esto, combinado con un momento angular $L=1$ tiene un $J=0$ que permite que el pión decaiga en dos fotones. Se puede comprobar, a partir de la tabla de Clebsch-Gordan, que la función de onda final de los dos fotones es simétrica bajo la permutación de partículas, tal y como exige la estadística de Bose.

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