Número bariónico

En física de partículas , el número bariónico ( B ) es un número cuántico aditivo de un sistema . Se define como $${\displaystyle B={\frac {1}{3}}(n_{\text{q}}-n_{\rm {\overline {q}}}),}$$ donde​${\displaystyle n_{\rm {q}}}$es el número de quarks y${\displaystyle n_{\rm {\overline {q}}}}$⁠ es el número de antiquarks . Los bariones (tres quarks) tienen B = +1, los mesones (un quark, un antiquark) tienen B = 0, y los antibariones (tres antiquarks) tienen B = − 1. Los hadrones exóticos como los pentaquarks (cuatro quarks, un antiquark) y los tetraquarks (dos quarks, dos antiquarks) también se clasifican como bariones y mesones dependiendo de su número bariónico. En el Modelo Estándar, la conservación de B es una simetría accidental ^{[ 1 ]} lo que significa que aparece en el Modelo Estándar pero a menudo se viola cuando se va más allá de él. Las teorías físicas más allá del Modelo Estándar que contienen violación del número bariónico son, por ejemplo, el Modelo Estándar con dimensiones extra, ^{[ 2 ]} Supersimetría , Teoría de Gran Unificación y Teoría de Cuerdas .

Los quarks no solo poseen carga eléctrica , sino también cargas como la carga de color y el isospín débil . Debido a un fenómeno conocido como confinamiento de color , un hadrón no puede tener una carga de color neta; es decir, la carga de color total de una partícula debe ser cero ("blanca"). Un quark puede tener uno de tres "colores", denominados "rojo", "verde" y "azul"; mientras que un antiquark puede ser "antirojo", "antiverde" o "antiazul". ^{[ 3 ]}

Para los hadrones normales, se puede obtener un color blanco de tres maneras:

• Un quark de un color con un antiquark del anticolor correspondiente, dando un mesón con número bariónico 0,
• Tres quarks de diferentes colores, dando como resultado un barión con número bariónico +1,
• Tres antiquarks de diferentes anticolores, dando como resultado un antibarión con número bariónico − 1.

El número bariónico se definió mucho antes de que se estableciera el modelo de quarks , por lo que, en lugar de cambiar las definiciones, los físicos de partículas simplemente asignaron a los quarks un tercio del número bariónico.

En teoría, los hadrones exóticos pueden formarse mediante la adición de pares de quarks y antiquarks, siempre que cada par tenga un color/anticolor correspondiente. Por ejemplo, un pentaquark (cuatro quarks, un antiquark) podría tener los siguientes colores de quarks individuales: rojo, verde, azul, azul y antiazul. En 2015, la colaboración LHCb del CERN informó resultados consistentes con estados de pentaquark en la desintegración de bariones Lambda bottom ( Λ ⁰ _b ). ^{[ 4 ]}

Las partículas sin quarks tienen un número bariónico de cero. Dichas partículas son:

• leptones : el electrón , el muón , el tauón y sus neutrinos correspondientes
• bosones vectoriales : el fotón , los bosones W y Z , los gluones
• bosón escalar : el bosón de Higgs
• bosón tensorial de segundo orden : el gravitón hipotético

La ley de conservación del número bariónico fue propuesta en 1938 por Ernst Stueckelberg . ^{[ 5 ] [ 6 ]} El número bariónico es una cantidad "conservada" en el sentido de que para reacciones perturbativas en el Modelo Estándar el número bariónico total de las partículas entrantes es igual al número bariónico de las partículas salientes. La violación del número bariónico nunca se ha observado experimentalmente. ^{[ 7 ]} Sin embargo, ni el número bariónico ni el número leptónico pueden demostrarse teóricamente como cantidades conservadas debido a efectos no perturbativos en el Modelo Estándar . ^{[ 8 ]} Estos efectos son, por ejemplo, los esfalerones y los instantones . La anomalía hipotética de Adler-Bell-Jackiw en las interacciones electrodébiles ^{[ 9 ]} es un ejemplo de un esfalerón electrodébil . Estas reacciones están masivamente suprimidas a bajas energías/temperaturas. ^{[ 10 ] [ 11 ]} A altas temperaturas, por ejemplo en el universo primitivo, podrían explicar la bariogénesis y leptogénesis electrodébiles . Los esfalerones solo pueden cambiar el número bariónico y leptónico en 3 o múltiplos de 3 (las reacciones crean 3 leptones y 3 bariones o las antipartículas correspondientes). Esto se debe a que la suma del número bariónico y leptónico (véase B − L ) es una cantidad conservada en el modelo estándar. ^{[ 12 ]}

Los conceptos hipotéticos de los modelos de la Teoría de Gran Unificación (GUT) y la supersimetría permiten la transformación de un barión en leptones y antiquarks (véase B − L ), violando así la conservación de los números bariónicos y leptónicos . ^{[ 13 ]} La desintegración del protón sería un ejemplo de tal proceso, pero nunca se ha observado. La desintegración beta doble sin neutrinos es una reacción que violaría el número leptónico, y la oscilación neutrón-antineutrón violaría el número bariónico en −2 unidades. ^{[ 2 ]}

La conservación del número bariónico no es consistente con la física de la evaporación de agujeros negros mediante radiación de Hawking . ^{[ 14 ]} En general, se espera que los efectos gravitacionales cuánticos violen la conservación de todas las cargas asociadas a las simetrías globales. ^{[ 15 ]} La violación de la conservación del número bariónico llevó a John Archibald Wheeler a especular sobre un principio de mutabilidad para todas las propiedades físicas. ^{[ 16 ]}

Las búsquedas de violaciones del número bariónico se han realizado de las siguientes maneras:

• Kamiokande en 1985 ^{[ 17 ]}
• Experimento ILL en 1994 ^{[ 18 ]}
• Super-Kamiokande en 1999 ^{[ 19 ]}

Los dos experimentos planificados son:

• Hiper-Kamiokande ^{[ 20 ]}
• HIBEAM ^{[ 2 ]} /NNBAR ^{[ 21 ]}