The was discovered in 1983 at CERN, using proton/antiproton scattering:
where represents one or more particles. What is the most likely , for this process? Draw a Feynman diagram for your reaction, and explain why your is more probable than the various alternatives.

Passo 1

Beleza, vamos lá! Você me passou um exercício sobre a descoberta do bóson no CERN, usando a colisão entre prótons e antiprótons. A questão pede para a gente descobrir qual é a partícula mais provável nesse processo , além de desenhar um diagrama de Feynman e explicar por que essa é mais provável que outras alternativas. Vamos usar conceitos de física de partículas, como interações elementares e conservação de cargas, pra resolver isso.

Passo 2

Primeiro, vamos entender o que está acontecendo na reação . Temos um próton ( ) colidindo com um antipróton ( ). Quando essas partículas se chocam com bastante energia, podem se transformar em outras partículas, como o , que é um dos bosons carregados responsáveis pelas interações fracas.

Passo 3

Agora, precisamos descobrir qual é a partícula mais provável que acompanha o nessa reação. Para isso, vamos pensar nas partículas que podem ser produzidas junto com o mantendo as leis de conservação, como conservação de carga, momento e outras quantidades.

Passo 4

Sabemos que o próton é composto por dois quarks “up” ( ) e um quark “down” ( ), ou seja, . O antipróton, sendo a antipartícula do próton, é composto por dois anti-quarks “up” ( ) e um anti-quark “down” ( ), ou seja, .

Passo 5

Quando o próton e o antipróton colidem, seus quarks e anti-quarks interagem. Uma das possibilidades é que um quark “up” ( ) do próton e um anti-quark “down” ( ) do antipróton se aniquilem para formar o . Isso deixa os outros quarks e anti-quarks para formar a partícula .

Passo 6

Após a aniquilação , restam um quark “up” ( ) e um anti-quark “up” ( ). A combinação pode formar um méson como o píon neutro ( ), que é uma opção comum.

Passo 7

Então, a partícula mais provável nesse processo é o píon neutro ( ). Essa escolha é baseada na facilidade de formação a partir dos quarks residuais e na conservação das leis de interação.

Passo 8

Agora, vamos falar sobre o diagrama de Feynman para essa reação. Imagine um próton e um antipróton se aproximando. Um dos quarks “up” do próton e um anti-quark “down” do antipróton trocam uma linha interna que representa o . Após essa troca, o é emitido, e os quarks restantes (um “up” e um anti-“up”) formam o .

Passo 9

Por que o é mais provável do que outras partículas ? Porque a formação do respeita as leis de conservação e envolve a menor quantidade de energia possível. Outras alternativas poderiam envolver partículas mais pesadas ou processos menos prováveis, tornando o a escolha mais favorável.

Resposta

A partícula mais provável nesse processo é o píon neutro ( ). O diagrama de Feynman envolve a aniquilação de um quark “up” e um anti-quark “down” formando o , enquanto os quarks remanescentes se combinam para formar o . Essa configuração é mais provável porque respeita as leis de conservação e utiliza as partículas mais leves e estáveis possíveis.

Exercícios relacionados

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Draw possible Feynman diagrams for the following processes:

What interactions are involved? (Both these decays have been observed, by the way.)
Admita que na reação ocorrendo em um sistema fechado existam inicialmente de e de . Se em um determinado instante da reação, existem presentes 7,50 mol de , qual o valor de nesse instante?
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