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Hadrón

Un hadrón es una partícula subatómica compuesta . Todo hadrón debe pertenecer a una de las dos clases fundamentales de partículas: bosones y fermiones . En física de partículas ...

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Un hadrón es una partícula subatómica compuesta . Todo hadrón debe pertenecer a una de las dos clases fundamentales de partículas: bosones y fermiones .

En física de partículas , un hadrón es una partícula subatómica compuesta formada por dos o más quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte . Pronunciado / ˈ h æ d r ɒ n /ⓘ , el nombre derivadelgriego antiguoἁδρός(hadrós)'robusto, grueso'. Son análogos alas moléculas, que se mantienen unidas por lafuerza eléctrica. La mayor parte de lamasamateriaordinariaproviene de dos hadrones: elprotóny elneutrón, mientras que la mayor parte de la masa de los protones y neutrones se debe a su vez a laenergía de enlacede sus quarks constituyentes, debido a la fuerza fuerte. 

Los hadrones se clasifican en dos grandes familias: bariones , formados por un número impar de quarks (normalmente tres), y mesones , formados por un número par de quarks (normalmente dos: un quark y un antiquark ). [ 1 ] Los protones y neutrones (que constituyen la mayor parte de la masa de un átomo ) son ejemplos de bariones; los piones son un ejemplo de mesón. Un estado tetraquark (un mesón exótico ), denominado Z(4430) − , fue descubierto en 2007 por la Colaboración Belle [ 2 ] y confirmado como resonancia en 2014 por la colaboración LHCb . [ 3 ] Dos estados pentaquark ( bariones exóticos ), denominados P + c (4380) y P + c (4450) , fueron descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb . [ 4 ] Hay otros candidatos a hadrones "exóticos" y otras combinaciones de quarks singlete de color que también pueden existir.

Se cree que casi todos los hadrones y antihadrones "libres" (es decir, aislados y no ligados dentro de un núcleo atómico ) son inestables y eventualmente se desintegran en otras partículas. La única excepción posible conocida son los protones libres, que parecen ser estables , o al menos, tardan muchísimo tiempo en desintegrarse (del orden de 10³⁴ años  o más). A modo de comparación, los neutrones libres son la partícula inestable de mayor duración , y se desintegran con una vida media de aproximadamente 611  segundos, y tienen una vida media de 879  segundos [ a ] [ 5 ] (véase Desintegración del neutrón libre ).

La física de hadrones se estudia haciendo colisionar hadrones, por ejemplo protones, entre sí o con los núcleos de elementos pesados ​​y densos , como el plomo (Pb) o el oro (Au), y detectando los restos en las cascadas de partículas producidas . Un proceso similar ocurre en el medio natural, en la atmósfera superior extrema, donde los muones y mesones, como los piones, se producen por las colisiones de rayos cósmicos con partículas de gas enrarecido en la atmósfera exterior. [ 6 ]

Terminología y etimología

El término "hadrón" es una nueva palabra griega introducida por LB Okun en una charla plenaria en la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías de 1962 en el CERN . [ 7 ] Inició su charla con la definición de un nuevo término de categoría:

A pesar de que este informe trata sobre interacciones débiles, con frecuencia tendremos que hablar de partículas con interacciones fuertes. Estas partículas plantean no solo numerosos problemas científicos, sino también un problema terminológico. El caso es que « partículas con interacciones fuertes » es un término muy engorroso que no se presta a la formación de un adjetivo. Por esta razón, por citar solo un ejemplo, las desintegraciones en partículas con interacciones fuertes se denominan «no leptónicas ». Esta definición no es exacta, ya que «no leptónico» también puede significar fotónico. En este informe llamaré a las partículas con interacciones fuertes «hadrones», y a las desintegraciones correspondientes «hadrónicas» (el griego ἁδρός significa «grande», «masivo», en contraste con λεπτός , que significa «pequeño», «ligero»). Espero que esta terminología resulte conveniente. — LB Okun (1962) [ 7 ]

Propiedades

Una flecha verde y una magenta ("antiverde") que se anulan entre sí dando como resultado blanco, representan un mesón; una flecha roja, una verde y una azul que se anulan dando como resultado blanco, representan un barión; una flecha amarilla ("antiazul"), una magenta y una cian ("antiroja") que se anulan dando como resultado blanco, representan un antibarión.
Todos los tipos de hadrones tienen carga de color total cero (se muestran tres ejemplos).

Según el modelo de quarks , [ 8 ] las propiedades de los hadrones están determinadas principalmente por sus llamados quarks de valencia . Por ejemplo, un protón está compuesto por dos quarks up (cada uno con carga eléctrica ⁠ + + 2 / 3 ⁠ e , para un total de + ⁠ 4 / 3 ⁠ e juntos) y un quark down (con carga eléctrica ⁠ − + 1 / 3 ⁠ e ). La suma de estos produce la carga del protón de +1 e . Aunque los quarks también tienen carga de color , los hadrones deben tener una carga de color total cero debido a un fenómeno llamado confinamiento de color . Es decir, los hadrones deben ser "incoloros" o "blancos". Las formas más simples de que esto ocurra son con un quark de un color y un antiquark del anticolor correspondiente, o tres quarks de diferentes colores. Los hadrones con la primera disposición son un tipo de mesón , y aquellos con la segunda disposición son un tipo de barión .    

Los gluones virtuales sin masa componen la inmensa mayoría de las partículas dentro de los hadrones, así como los principales constituyentes de su masa (con la excepción de los quarks encanto y fondo pesados ; el quark cima desaparece antes de tener tiempo de unirse a un hadrón). La fuerza de los gluones de la fuerza fuerte que unen los quarks tiene energía suficiente ( E ) para tener resonancias compuestas de quarks masivos ( m ) ( E ≥ mc² ) . Una consecuencia es que pares efímeros de quarks y antiquarks virtuales se forman y desaparecen continuamente dentro de un hadrón. Dado que los quarks virtuales no son paquetes de ondas estables (cuantos), sino un fenómeno irregular y transitorio, no tiene sentido preguntarse qué quark es real y cuál virtual; solo el pequeño exceso es aparente desde el exterior en forma de hadrón. Por lo tanto, cuando se afirma que un hadrón o antihadrón consta (típicamente) de dos o tres quarks, esto se refiere técnicamente al exceso constante de quarks con respecto a los antiquarks.

Como todas las partículas subatómicas , a los hadrones se les asignan números cuánticos que corresponden a las representaciones del grupo de Poincaré : J PC ( m ), donde J es el número cuántico de espín , P la paridad intrínseca (o paridad P ), C la conjugación de carga (o paridad C ) y m es la masa de la partícula . Nótese que la masa de un hadrón tiene muy poco que ver con la masa de sus quarks de valencia; más bien, debido a la equivalencia masa-energía , la mayor parte de la masa proviene de la gran cantidad de energía asociada con la interacción fuerte . Los hadrones también pueden tener números cuánticos de sabor como el isospín ( paridad G ) y la extrañeza . Todos los quarks tienen un número cuántico aditivo y conservado llamado número bariónico ( B ), que es + 1 / 3 e para los quarks y − + 1 / 3 e para los antiquarks . Esto significa que los bariones (partículas compuestas formadas por tres, cinco o un número impar mayor de quarks) tienen B = 1, mientras que los mesones tienen B = 0.      

Los hadrones poseen estados excitados conocidos como resonancias . Cada hadrón en estado fundamental puede tener varios estados excitados; en experimentos se han observado varios cientos de resonancias diferentes. Las resonancias decaen extremadamente rápido (en aproximadamente10 −24 s  ) a través de la fuerza nuclear fuerte.

En otras fases de la materia los hadrones pueden desaparecer. Por ejemplo, a temperaturas y presiones muy altas, a menos que haya suficientes sabores de quarks, la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) predice que los quarks y gluones ya no estarán confinados dentro de los hadrones, "porque la fuerza de la interacción fuerte disminuye con la energía ". Esta propiedad, que se conoce como libertad asintótica , ha sido confirmada experimentalmente en el rango de energía entre 1 GeV (gigaelectronvoltio) y 1 TeV (teraelectronvoltio). [ 9 ] Todos los hadrones libres excepto ( posiblemente ) el protón y el antiprotón son inestables .  

Bariones

Los bariones son hadrones que contienen un número impar de quarks de valencia (al menos 3). [ 1 ] La mayoría de los bariones conocidos, como el protón y el neutrón, tienen tres quarks de valencia, pero también se ha demostrado la existencia de pentaquarks con cinco quarks: tres quarks de colores diferentes y un par quark-antiquark adicional. Debido a que los bariones tienen un número impar de quarks, también son todos fermiones , es decir , tienen espín semientero . Como los quarks poseen un número bariónico B  = 1/3 , los bariones tienen un número bariónico B = 1. Los pentaquarks también tienen B = 1 , ya que los números bariónicos del quark y el antiquark adicionales se cancelan.     

Cada tipo de barión tiene una antipartícula (antibarión) correspondiente en la que los quarks son reemplazados por sus antiquarks correspondientes. Por ejemplo, así como un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo, su antipartícula correspondiente, el antiprotón, está formada por dos antiquarks arriba y un antiquark abajo.

Hasta agosto de 2015, se conocen dos pentaquarks, P + c (4380) y P + c (4450) , ambos descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb . [ 4 ]

Mesones

Los mesones son hadrones que contienen un número par de quarks de valencia (al menos dos). [ 1 ] La mayoría de los mesones conocidos están compuestos por un par quark-antiquark, pero es posible que se hayan descubierto tetraquarks (cuatro quarks) y hexaquarks (seis quarks, que comprenden un dibarión o tres pares quark-antiquark) y se están investigando para confirmar su naturaleza. [ 10 ] Pueden existir otros tipos hipotéticos de mesones exóticos que no se ajustan al modelo de clasificación de quarks. Estos incluyen glueballs y mesones híbridos (mesones ligados por gluones excitados ).

Debido a que los mesones tienen un número par de quarks, también son todos bosones , con espín entero , es decir, 0 ħ , +1 ħ o −1 ħ . Tienen número bariónico B = ⁠ 1 / 3 ⁠ − ⁠ 1 / 3 ⁠ = 0. Ejemplos de mesones que se producen comúnmente en experimentos de física de partículas incluyen piones y kaones . Los piones también desempeñan un papel en mantener unidos los núcleos atómicos a través de la fuerza fuerte residual .   

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ Se espera que las antipartículas respectivas del protón y del neutrón sigan el mismo patrón, pero son difíciles de capturar y estudiar, porque se aniquilan inmediatamente al entrar en contacto con la materia ordinaria.

Referencias

  1. 1 2 3 Gell-Mann, M. (1964). "Un modelo esquemático de bariones y mesones". Physics Letters . 8 (3): 214– 215. Bibcode : 1964PhL.....8..214G . doi : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 .
  2. ↑ Choi, S.-K.; et al. ( Belle Collaboration ) (2008). "Observación de una estructura similar a una resonancia en el π ± Distribución de masa Ψ′ en exclusiva B → K π ±Desintegraciones de Ψ′". Physical Review Letters . 100 (14) 142001. arXiv : 0708.1790 . Bibcode : 2008PhRvL.100n2001C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.142001 . PMID 18518023 . S2CID 119138620 .  
  3. ↑ Aaij, R.; et al. ( Colaboración LHCb ) (2014). "Observación del carácter resonante del estado Z(4430) − ". Physical Review Letters . 112 (22) 222002. arXiv : 1404.1903 . Bibcode : 2014PhRvL.112v2002A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.222002 . PMID 24949760 . S2CID 904429 .   
  4. 1 2 Aaij, R.; et al. ( Colaboración LHCb ) (2015). "Observación de resonancias J/ψp consistentes con estados pentaquark en desintegraciones Λ 0 b → J/ψK − p". Physical Review Letters . 115 (7) 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001 . PMID 26317714 . S2CID 119204136 .     
  5. ↑ Zyla, PA (2020). "n MEAN LIFE" . PDG Live: Revisión de física de partículas de 2020. Particle Data Group . Recuperado el 3 de febrero de 2022 .
  6. ↑ Martin, BR (2017). Física de partículas (Cuarta ed.). Chichester, West Sussex, Reino Unido. ISBN  978-1-118-91190-7.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  7. 1 2 Okun, LB (1962). "La teoría de la interacción débil". Actas de la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías de 1962 en el CERN . Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (conferencia plenaria). CERN, Ginebra, CH. pág. 845. Bibcode : 1962hep..conf..845O . 
  8. ↑ Amsler, C.; et al. ( Particle Data Group ) (2008). "Quark Model" (PDF) . Physics Letters B . Review of Particle Physics. 667 (1): 1– 6. Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . 
  9. ↑ Bethke, S. (2007). "Pruebas experimentales de libertad asintótica". Progress in Particle and Nuclear Physics . 58 (2): 351– 386. arXiv : hep-ex/0606035 . Bibcode : 2007PrPNP..58..351B . doi : 10.1016/j.ppnp.2006.06.001 . S2CID 14915298 . 
  10. ↑ Mann, Adam (17 de junio de 2013). "Una misteriosa partícula subatómica podría representar una nueva y exótica forma de materia" . Science. Wired . Consultado el 27 de agosto de 2021 .— Noticia sobre el descubrimiento de la partícula Z (3900).
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