¿Es posible la reacción de partículas $π^- + p \to K^- + Σ^+$?

Question

Actualmente estoy revisando algunos exámenes de pregrado sobre física de partículas y tengo problemas con una reacción específica, a saber

$$ \pi^- + p \to K^- + \Sigma^+ $$

que, en mi opinión, no está permitida debido a la violación de extrañeza ($0 \rightarrow -2$), por lo que solo podría ser una interacción débil. Sin embargo, dado que es puramente hadrónico, debería ser una interacción fuerte. ¿Alguien puede explicarme donde estoy equivocado? ¿O la respuesta del profesor está equivocada? Él marcó la respuesta "no permitida" como "incorrecta" (sin ninguna explicación adicional).

Answer 1

Esta reacción no es posible, pero por una razón no trivial.

Como señalas, la no conservación de extrañeza obliga a que sea una interacción débil, pero nada impide que los bariónes participen en interacciones débiles (como en esta reacción). Sin embargo, no se intercambia carga en el proceso, por lo que sería debido a una corriente neutra débil, y éstas sí conservan la extrañeza.

El protón tiene una configuración ($\mathrm{uud}$) y el pión contiene ($\mathrm{d \overline u}$); el Σ es ($\mathrm{uus}$) y el K es ($\mathrm{s \overline u}$). Esto significa que necesitarías convertir dos quarks abajo en quarks extraños, algo así como esto:

Tal corriente neutra cambiante de sabor es hasta ahora hipotética y no ha sido observada. (Ver por ejemplo, las reglas de Feynman del bosón Z.)

Answer 2

Esta reacción puede proceder a través de múltiples interacciones débiles cargadas (es decir, instancias de un bosón $W$ virtual siendo emitido o absorbido, los procesos débiles de cambio de sabor del modelo estándar); siempre que haya suficiente energía en el centro de masas, por supuesto. Esquemáticamente:

$$ \small{ \begin{array}{cc} \pi^- \!\! \equiv \begin{Bmatrix} \overline u \cr d \end{Bmatrix} \cr p ~ \equiv \begin{Bmatrix} u \cr u \cr d \end{Bmatrix} \end{array} \rightarrow \begin{bmatrix} \overline u \cr \! u + W^- \!\! \cr u \cr u \cr d \end{bmatrix} \equiv \begin{bmatrix} \overline u \cr u \cr \! W^- + u \cr u \cr d \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} \overline u \cr u \cr s \cr u \cr d \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} \overline u \cr u \cr s \cr u \cr u + W^- \!\! \end{bmatrix} \equiv \begin{bmatrix} \overline u \cr u \cr s \cr \! W^- + u \! \cr u \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} \overline u \cr u \cr s \cr s \cr u \end{bmatrix} \equiv \begin{array}{cc} \begin{Bmatrix} \overline u \cr s \end{Bmatrix} \equiv K^- \cr \begin{Bmatrix} u \cr u \cr s \end{Bmatrix} \equiv \Sigma^+ \end{array} } $$

Pero seguramente la sección eficaz de esta reacción, $\sigma[~\pi^- + p \rightarrow K^- + \Sigma^+~]$,
se espera que sea bastante pequeña en comparación con $\sigma[~\pi^- + p \rightarrow K^0 + \Sigma^0~]$, por ejemplo.