Barión

Modelo estándar de física de partículas
Partículas elementales del Modelo Estándar
Fondo Física de partículas Modelo estándar Teoría cuántica de campos Teoría de gauge Ruptura espontánea de simetría Mecanismo de Higgs
Constituyentes Interacción electrodébil Cromodinámica cuántica Matriz CKM Matemáticas del Modelo Estándar
Limitaciones Problema CP fuerte Problema de jerarquía Oscilaciones de neutrinos Física más allá del Modelo Estándar
Científicos Rutherford Thomson Chadwick Bosé Sudarshan Davis Jr Anderson Fermi Dirac Feynman rubí Gell-Mann Kendall Taylor Friedman Powell Anderson espectáculo de vidrio Iliopoulos Hombre de cuero Maiani Más Cowan Nambu Chambelán Cabibbo Schwartz Perl Mayorana Weinberg Sotavento Pabellón Saludos Kobayashi Máscara Molinos Yang Yukawa No casco Veltman Bruto País Pablo Politzer Reinas Schwinger Wilczek Cronin Ajuste Vleck bosón de higgs Englert Brote Hagen Guralnik Croquetas de Mayolo Café con leche Dos
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En física de partículas , un barión es un tipo de partícula subatómica compuesta que contiene un número impar de quarks de valencia , convencionalmente tres. ^[1] Los protones y los neutrones son ejemplos de bariones; debido a que los bariones están compuestos de quarks , pertenecen a la familia de partículas hadrónicas . Los bariones también se clasifican como fermiones porque tienen un espín semientero .

El nombre "baryon", introducido por Abraham Pais , ^[2] proviene de la palabra griega para "pesado" (βαρύς, barýs ), porque, en el momento de su denominación, la mayoría de las partículas elementales conocidas tenían masas inferiores a las de los bariones. Cada barión tiene una antipartícula correspondiente (antibaryon) donde sus antiquarks correspondientes reemplazan a los quarks. Por ejemplo, un protón está formado por dos quarks up y un quark down ; y su antipartícula correspondiente, el antiprotón , está formado por dos antiquarks up y un antiquark down.

Los bariones participan en la interacción fuerte residual , que está mediada por partículas conocidas como mesones . Los bariones más conocidos son los protones y los neutrones , que contienen tres quarks, y por esta razón a veces se los llama triquarks . Estas partículas constituyen la mayor parte de la masa de la materia visible en el universo y componen el núcleo de cada átomo ( los electrones , el otro componente principal del átomo, son miembros de una familia diferente de partículas llamadas leptones ; los leptones no interactúan a través de la interacción fuerte). También se han descubierto y estudiado bariones exóticos que contienen cinco quarks, llamados pentaquarks .

Un censo de los bariones del Universo indica que el 10% de ellos podrían encontrarse en el interior de las galaxias, entre el 50 y el 60% en el medio circungaláctico ^[3] , y el 30 a 40% restante podrían localizarse en el medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM). ^[4]

Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente , es decir, están sometidos a la acción de la fuerza nuclear fuerte y se describen mediante las estadísticas de Fermi-Dirac , que se aplican a todas las partículas que obedecen al principio de exclusión de Pauli . Esto contrasta con los bosones , que no obedecen al principio de exclusión.

Los bariones, junto con los mesones , son hadrones , partículas compuestas de quarks . Los quarks tienen números bariónicos de B  =  ⁠1/3⁠ y los antiquarks tienen números bariónicos de B  = − ⁠1/3⁠ . El término "baryon" generalmente se refiere a triquarks : bariones formados por tres quarks ( B  =  ⁠1/3⁠  +  ⁠1/3⁠  +  ⁠1/3⁠  = 1).

Se han propuesto otros bariones exóticos , como los pentaquarks , bariones formados por cuatro quarks y un antiquark ( B  =  ⁠1/3⁠  +  ⁠1/3⁠  +  ⁠1/3⁠  +  ⁠1/3⁠  −  ⁠1/3⁠  = 1), ^{[5] [6]} pero su existencia no es generalmente aceptada. La comunidad de física de partículas en su conjunto no consideró probable su existencia en 2006, ^[7] y en 2008, consideró que la evidencia estaba abrumadoramente en contra de la existencia de los pentaquarks reportados. ^[8] Sin embargo, en julio de 2015, el experimento LHCb observó dos resonancias consistentes con estados de pentaquark en el Λ^0b
_​→ J/ψK⁻
p decaimiento, con una significancia estadística combinada de 15σ. ^{[9] [10]}

En teoría, también podrían existir heptaquarks (5 quarks, 2 antiquarks), nonaquarks (6 quarks, 3 antiquarks), etc.

Casi toda la materia que se puede encontrar o experimentar en la vida cotidiana es materia bariónica , que incluye átomos de cualquier tipo y les proporciona la propiedad de la masa. La materia no bariónica, como lo implica el nombre, es cualquier tipo de materia que no esté compuesta principalmente de bariones. Esto podría incluir neutrinos y electrones libres , materia oscura , partículas supersimétricas , axiones y agujeros negros .

La existencia misma de los bariones es también una cuestión importante en cosmología, ya que se supone que el Big Bang produjo un estado con cantidades iguales de bariones y antibariones. El proceso por el cual los bariones llegaron a superar en número a sus antipartículas se denomina bariogénesis .

Los experimentos son consistentes con la conservación del número de quarks en el universo junto con el número bariónico total , y los antibariones se cuentan como cantidades negativas. ^[11] Dentro del Modelo Estándar predominante de física de partículas, el número de bariones puede cambiar en múltiplos de tres debido a la acción de los esfalerones , aunque esto es raro y no se ha observado en experimentos. Algunas grandes teorías unificadas de física de partículas también predicen que un solo protón puede decaer , cambiando el número bariónico en uno; sin embargo, esto aún no se ha observado en experimentos. Se piensa que el exceso de bariones sobre antibariones en el universo actual se debe a la no conservación del número bariónico en el universo primitivo, aunque esto no se entiende bien.

El concepto de isospín fue propuesto por primera vez por Werner Heisenberg en 1932 para explicar las similitudes entre protones y neutrones bajo la interacción fuerte . ^[12] Aunque tenían diferentes cargas eléctricas, sus masas eran tan similares que los físicos creían que eran la misma partícula. Las diferentes cargas eléctricas se explicaron como el resultado de una excitación desconocida similar al espín. Esta excitación desconocida fue posteriormente denominada isospín por Eugene Wigner en 1937. ^[13]

Esta creencia perduró hasta que Murray Gell-Mann propuso el modelo de quarks en 1964 (que originalmente contenía solo los quarks u, d y s). ^[14] Ahora se entiende que el éxito del modelo de isospín es el resultado de las masas similares de los quarks u y d. Dado que los quarks u y d tienen masas similares, las partículas formadas por el mismo número también tienen masas similares. La composición específica exacta de los quarks u y d determina la carga, ya que los quarks u tienen carga + ⁠2/3⁠ mientras que los quarks d llevan carga − ⁠1/3⁠ . Por ejemplo, los cuatro deltas tienen cargas diferentes (
Δ⁺⁺
(uuuu),
Δ⁺
(uud),
Δ⁰
(escucha)
Δ⁻
(ddd)), pero tienen masas similares (~1232 MeV/c ² ) ya que cada uno está formado por una combinación de tres quarks u o d. Según el modelo de isospín, se consideraban una única partícula en diferentes estados de carga.

Las matemáticas del isospín se modelaron a partir de las del espín. Las proyecciones del isospín variaban en incrementos de 1, al igual que las del espín, y a cada proyección se le asociaba un " estado cargado ". Como la " partícula Delta " tenía cuatro "estados cargados", se decía que era de isospín I  =  ⁠3/2⁠ . Sus "estados cargados"
Δ⁺⁺
,
Δ⁺
,
Δ⁰
, y
Δ⁻
, correspondían a las proyecciones de isospín I ₃  = + ⁠3/2⁠ , yo ₃  = + ⁠1/2⁠ , yo ₃  = − ⁠1/2⁠ , y yo ₃  = − ⁠3/2⁠ , respectivamente. Otro ejemplo es la "partícula nucleón". Como había dos "estados cargados" del nucleón, se decía que era de isospín ⁠1/2⁠ . El nucleón positivo
norte⁺
(protón) se identificó con I ₃  = + ⁠1/2⁠ y el nucleón neutro
norte⁰
(neutrón) con I ₃  = − ⁠1/2⁠ . ^[15] Más tarde se observó que las proyecciones de isospín estaban relacionadas con el contenido de quarks up y down de las partículas mediante la relación:

${\displaystyle I_{\mathrm {3} }={\frac {1}{2}}[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })-(n_{\mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })],}$

donde los n' son el número de quarks y antiquarks arriba y abajo.

En la "imagen del isospín", se pensaba que los cuatro deltas y los dos nucleones eran los diferentes estados de dos partículas. Sin embargo, en el modelo de quarks, los deltas son diferentes estados de los nucleones (el principio de exclusión de Pauli prohíbe el uso de N ⁺⁺ o N− ⁾ . El isospín, aunque transmite una imagen inexacta de las cosas, todavía se utiliza para clasificar a los bariones, lo que conduce a una nomenclatura poco natural y a menudo confusa.

Se observó que el número cuántico de sabor extraño S (que no debe confundirse con el espín) subía y bajaba junto con la masa de la partícula. Cuanto mayor es la masa, menor es la extrañeza (cuantos más quarks s hay). Las partículas se podían describir con proyecciones de isospín (relacionadas con la carga) y la extrañeza (masa) (ver las figuras de octeto y decuplete uds a la derecha). A medida que se descubrieron otros quarks, se hicieron nuevos números cuánticos para tener una descripción similar de los octetos y decupletes udc y udb. Dado que solo las masas u y d son similares, esta descripción de la masa y la carga de la partícula en términos de isospín y números cuánticos de sabor funciona bien solo para octetos y decupletes hechos de un u, un d y otro quark, y se descompone para los otros octetos y decupletes (por ejemplo, octeto y decuplete ucb). Si todos los quarks tuvieran la misma masa, su comportamiento se llamaría simétrico , ya que todos se comportarían de la misma manera ante la interacción fuerte. Como los quarks no tienen la misma masa, no interactúan de la misma manera (exactamente como un electrón colocado en un campo eléctrico se acelerará más que un protón colocado en el mismo campo debido a su masa más ligera), y se dice que la simetría está rota .

Se observó que la carga ( Q ) estaba relacionada con la proyección de isospín ( I ₃ ), el número bariónico ( B ) y los números cuánticos de sabor ( S , C , B ′, T ) mediante la fórmula de Gell-Mann–Nishijima : ^[15]

${\displaystyle Q=I_{3}+{\frac {1}{2}}\left(B+S+C+B^{\prime }+T\right),}$

donde S , C , B ′ y T representan los números cuánticos de los sabores strangeness , charm , bottomness y topness , respectivamente. Están relacionados con el número de quarks strange, charm, bottom y top y antiquarks según las relaciones:

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=-\left(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} }\right),\\C&=+\left(n_{\mathrm {c} }-n_{\mathrm {\bar {c}} }\right),\\B^{\prime }&=-\left(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} }\right),\\T&=+\left(n_{\mathrm {t} }-n_{\mathrm {\bar {t}} }\right),\end{aligned}}}$

lo que significa que la fórmula de Gell-Mann-Nishijima es equivalente a la expresión de la carga en términos de contenido de quarks:

${\displaystyle Q={\frac {2}{3}}\left[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })+(n_{\mathrm {c} }-n_{\mathrm {\bar {c}} })+(n_{\mathrm {t} }-n_{\mathrm {\bar {t}} })\right]-{\frac {1}{3}}\left[(n_{\mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })+(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} })+(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} })\right].}$

El espín (número cuántico S ) es una cantidad vectorial que representa el momento angular "intrínseco" de una partícula. Se expresa en incrementos de ⁠1/2⁠  ħ (pronunciado "h-bar"). La ħ se suele omitir porque es la unidad "fundamental" del espín, y se da a entender que "espín 1" significa "espín 1 ħ". En algunos sistemas de unidades naturales , se elige que ħ sea 1 y, por lo tanto, no aparece en ninguna parte.

Los quarks son partículas fermiónicas de espín ⁠1/2⁠ ( S  =  ⁠1/2⁠ ). Debido a que las proyecciones de espín varían en incrementos de 1 (es decir, 1 ħ), un solo quark tiene un vector de espín de longitud ⁠1/2⁠ , y tiene dos proyecciones de espín ( S _z  = + ⁠1/2⁠ y S _z  = − ⁠1/2⁠ ). Dos quarks pueden tener sus espines alineados, en cuyo caso los dos vectores de espín se suman para formar un vector de longitud S  = 1 y tres proyecciones de espín ( S _z  = +1, S _z  = 0 y S _z  = −1). Si dos quarks tienen espines no alineados, los vectores de espín se suman para formar un vector de longitud S  = 0 y tiene solo una proyección de espín ( S _z  = 0), etc. Dado que los bariones están hechos de tres quarks, sus vectores de espín pueden sumarse para formar un vector de longitud S  =  ⁠3/2⁠ , que tiene cuatro proyecciones de espín ( S _z  = + ⁠3/2⁠ , S _z  = + ⁠1/2⁠ , S _z  = − ⁠1/2⁠ , y S _z  = − ⁠3/2⁠ ), o un vector de longitud S  =  ⁠1/2⁠ con dos proyecciones de espín ( S _z  = + ⁠1/2⁠ , y S _z  = − ⁠1/2⁠ ). ^[16]

Existe otra cantidad de momento angular, llamada momento angular orbital ( número cuántico azimutal L ), que se expresa en incrementos de 1 ħ y que representa el momento angular debido a los quarks que orbitan entre sí. El momento angular total ( número cuántico del momento angular total J ) de una partícula es, por lo tanto, la combinación del momento angular intrínseco (espín) y el momento angular orbital. Puede tomar cualquier valor desde J = | L − S | hasta J = | L + S | , en incrementos de 1.

Los físicos de partículas están más interesados ​​en los bariones sin momento angular orbital ( L  = 0), ya que corresponden a estados fundamentales, es decir, estados de energía mínima. Por lo tanto, los dos grupos de bariones más estudiados son los S  =  ⁠1/2⁠ ; L  = 0 y S  =  ⁠3/2⁠ ; L  = 0, que corresponde a J  =  ⁠1/2⁠ ⁺ y J  =  ⁠3/2⁠ ⁺ , respectivamente, aunque no son los únicos. También es posible obtener J  =  ⁠3/2⁠ ⁺ partículas de S  =  ⁠1/2⁠ y L  = 2, así como S  =  ⁠3/2⁠ y L  = 2. Este fenómeno de tener múltiples partículas en la misma configuración de momento angular total se llama degeneración . Cómo distinguir entre estos bariones degenerados es un área activa de investigación en la espectroscopia bariónica . ^{[17] [18]}

Si el universo se reflejara en un espejo, la mayoría de las leyes de la física serían idénticas: las cosas se comportarían de la misma manera independientemente de lo que llamemos "izquierda" y lo que llamemos "derecha". Este concepto de reflexión especular se llama " paridad intrínseca " o simplemente "paridad" ( P ). La gravedad , la fuerza electromagnética y la interacción fuerte se comportan todas de la misma manera independientemente de si el universo se refleja o no en un espejo y, por lo tanto, se dice que conservan la paridad (simetría P). Sin embargo, la interacción débil distingue "izquierda" de "derecha", un fenómeno llamado violación de la paridad (violación P).

En base a esto, si la función de onda para cada partícula (en términos más precisos, el campo cuántico para cada tipo de partícula) se invirtiera simultáneamente, entonces el nuevo conjunto de funciones de onda satisfaría perfectamente las leyes de la física (aparte de la interacción débil). Resulta que esto no es del todo cierto: para que se satisfagan las ecuaciones, las funciones de onda de ciertos tipos de partículas tienen que ser multiplicadas por −1, además de estar invertidas en espejo. Se dice que tales tipos de partículas tienen paridad negativa o impar ( P  = −1, o alternativamente P  = –), mientras que las otras partículas tienen paridad positiva o par ( P  = +1, o alternativamente P  = +).

Para los bariones, la paridad está relacionada con el momento angular orbital por la relación: ^[19]

${\displaystyle P=(-1)^{L}.\ }$

Como consecuencia, los bariones sin momento angular orbital ( L  = 0) tienen todos paridad par ( P  = +).

Los bariones se clasifican en grupos según sus valores de isospín ( I ) y su contenido de quarks ( q ). Hay seis grupos de bariones: nucleones (
norte
), delta (
Δ
), Lambda (
O
), Sigma (
Σ
), Xi (
O
) y Omega (
Ohmio
). Las reglas de clasificación están definidas por el Particle Data Group . Estas reglas consideran la parte superior (
tú
), abajo (
d
) y extraño (
s
) los quarks son ligeros y tienen encanto (
do
), abajo (
b
), y arriba (
a
) los quarks son pesados . Las reglas cubren todas las partículas que pueden formarse a partir de tres de cada uno de los seis quarks, aunque no se espera que existan bariones formados por quarks top debido a la corta vida del quark top . Las reglas no cubren los pentaquarks. ^[20]

• Bariones con (cualquier combinación de) tres
  tú
  y/o
  d
  Los quarks son
  norte
  yo ( yo = ⁠1/2⁠ ) ​​o
  Δ
  bariones ( I = ⁠3/2⁠ ).
• Bariones que contienen dos
  tú
  y/o
  d
  Los quarks son
  O
  bariones ( I = 0) o
  Σ
  bariones ( I = 1). Si el tercer quark es pesado, su identidad se indica mediante un subíndice.
• Bariones que contienen uno
  tú
  o
  d
  Los quarks son
  O
  bariones ( I = ⁠1/2⁠ ). Se utilizan uno o dos subíndices si uno o ambos de los quarks restantes son pesados.
• Bariones que no contienen
  tú
  o
  d
  Los quarks son
  Ohmio
  bariones ( I = 0), y los subíndices indican cualquier contenido de quarks pesados.
• Los bariones que se desintegran fuertemente tienen su masa como parte de su nombre. Por ejemplo, Σ ⁰ no se desintegra fuertemente, pero Δ ⁺⁺ (1232) sí.

También es una práctica generalizada (pero no universal) seguir algunas reglas adicionales para distinguir entre algunos estados que de otro modo tendrían el mismo símbolo. ^[15]

• Bariones en momento angular total J  =  ⁠3/2⁠ configuración que tienen los mismos símbolos que sus J  =  ⁠1/2Las contrapartes se indican con un asterisco (*).
• Dos bariones pueden estar formados por tres quarks diferentes en J  =  ⁠1/2⁠ configuración. En este caso, se utiliza una prima ( ′ ) para distinguirlas.
  • Excepción : cuando dos de los tres quarks son uno arriba y otro abajo, un barión se denomina Λ mientras que el otro se denomina Σ.

Los quarks tienen carga, por lo que conocer la carga de una partícula nos da indirectamente el contenido de quarks. Por ejemplo, las reglas anteriores dicen que un
O⁺
_ccontiene un quark ac y alguna combinación de dos quarks u y/o d. El quark c tiene una carga de ( Q  = + ⁠2/3) , por lo tanto, los otros dos deben ser quarks ( Q  = + ⁠2/3⁠ ), y un quark ( Q  = − ⁠1/3) para tener la carga total correcta ( Q  = +1).

• Camino Óctuple
• Lista de bariones
• Mesón
• Cronología de los descubrimientos de partículas

• Grupo de datos de partículas: revisión de física de partículas (2018).
• Universidad Estatal de Georgia—Hiperfísica
• Los bariones se hicieron pensables: una visualización interactiva que permite comparar propiedades físicas