En física de partículas , un hadrón ( / ˈ h æ d r ɒ n / ⓘ ; Griego antiguo:ἁδρός,romanizado: hadrós; "robusto, grueso") es unapartícula subatómica compuestaformada por dos o másquarks unidospor lainteracción fuerte. Son análogas a lasmoléculasque se mantienen unidas porla fuerza eléctrica. La mayor parte de la masa de la materia ordinaria proviene de dos hadrones: elprotóny elneutrón, mientras que la mayor parte de la masa de losprotones y neutronesse debe a su vez a la energía de enlace de sus quarks constituyentes, debida a la fuerza fuerte.
Los hadrones se clasifican en dos grandes familias: bariones , formados por un número impar de quarks (normalmente tres quarks) y mesones , formados por un número par de quarks (normalmente dos quarks: 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. En los últimos años se han descubierto hadrones "exóticos" , que contienen más de tres quarks de valencia. Un estado de tetraquark (un mesón exótico ), llamado Z(4430) − , fue descubierto en 2007 por la Belle Collaboration [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 varios candidatos a hadrones más exóticos y otras combinaciones de quarks singletes de color que también pueden existir.
Se cree que casi todos los hadrones y antihadrones "libres" (es decir, aislados y no unidos 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 en desintegrarse (del orden de 10 34+ años). A modo de comparación, los neutrones libres son las partículas inestables de vida más larga y se desintegran con una vida media de unos 879 segundos. [un] [5]
La física de hadrones se estudia haciendo colisionar hadrones, p. ej. protones, entre sí o con núcleos de elementos densos y pesados , como el plomo (Pb) o el oro (Au), y detectando los restos en las lluvias de partículas producidas . Un proceso similar ocurre en el entorno natural, en el extremo de la atmósfera superior, 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]
El término "hadrón" es una nueva palabra griega introducida por LB Okun y en una charla plenaria en la Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías de 1962 en el CERN . [7] Abrió su charla con la definición de un nuevo término categorial:
A pesar de que este informe trata de interacciones débiles, con frecuencia tendremos que hablar de partículas que interactúan fuertemente. Estas partículas plantean no sólo numerosos problemas científicos, sino también un problema terminológico. La cuestión es que " partículas que interactúan fuertemente " es un término muy torpe que no se presta a la formación de un adjetivo. Por esta razón, para tomar sólo un ejemplo, las desintegraciones en partículas que interactúan fuertemente se denominan "no leptónicas ". Esta definición no es exacta porque "no leptónico" también puede significar fotónico. En este informe llamaré "hadrones" a las partículas que interactúan fuertemente, y "hadrónicas" a las desintegraciones correspondientes (el griego ἁδρός significa "grande", "masivo", en contraste con λεπτός que significa "pequeño", "ligero"). Espero que esta terminología resulte conveniente. —LB Okun (1962) [7]
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 , para un total de + 4 ⁄ 3 juntos) y un quark down (con carga eléctrica −+1 ⁄ 3 ). Sumarlos produce la carga de protón de +1. Aunque los quarks también tienen carga de color , los hadrones deben tener una carga de color total cero debido a un fenómeno llamado confinamiento del color . Es decir, los hadrones deben ser "incoloros" o "blancos". La forma más sencilla de que esto ocurra es 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 los que tienen la segunda disposición son un tipo de barión .
Los gluones virtuales sin masa componen la abrumadora mayoría de las partículas dentro de los hadrones, así como los principales constituyentes de su masa (con la excepción de los quarks pesados y bottom ; el quark top desaparece antes de que tenga tiempo de unirse formando un hadrón). La fuerza de los gluones de fuerza fuerte que unen a los quarks tiene suficiente energía ( E ) para tener resonancias compuestas de quarks masivos ( m ) ( E ≥ mc 2 ). Un resultado es que pares de quarks y antiquarks virtuales de vida corta se forman y desaparecen continuamente dentro de un hadrón. Debido a que los quarks virtuales no son paquetes de ondas estables (cuantos), sino un fenómeno irregular y transitorio, no tiene sentido preguntar qué quark es real y cuál virtual; sólo el pequeño exceso es evidente desde el exterior en forma de hadrón. Por lo tanto, cuando se afirma que un hadrón o antihadrón consta de (típicamente) 2 o 3 quarks, esto técnicamente se refiere al exceso constante de quarks frente a antiquarks.
Como a todas las partículas subatómicas , a los hadrones se les asignan números cuánticos correspondientes a las representaciones del grupo de Poincaré : J PC ( m ), donde J es el número cuántico de espín , P la paridad intrínseca (o P-paridad ), C la conjugación de carga (o paridad C ), y m es la masa de la partícula . Tenga en cuenta 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 portar números cuánticos de sabor como isospin ( paridad G ) y extrañeza . Todos los quarks llevan un número cuántico conservado aditivo llamado número bariónico ( B ), que es ++1 ⁄ 3 para quarks y -+1 ⁄ 3 para 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 tienen estados excitados conocidos como resonancias . Cada hadrón de estado fundamental puede tener varios estados excitados; En experimentos se han observado varios cientos de resonancias. Las resonancias decaen extremadamente rápido (en aproximadamente 10 −24 segundos ) debido a 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 variedades 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 energía ". Esta propiedad, que se conoce como libertad asintótica , ha sido confirmada experimentalmente en el rango de energía comprendido entre 1 GeV (gigaelectronvoltio) y 1 TeV (teraelectronvoltio). [9] Todos los hadrones libres excepto ( posiblemente ) el protón y el antiprotón son inestables .
Los bariones son hadrones que contienen un número impar de quarks de valencia (al menos 3). [1] Los bariones más conocidos, como el protón y el neutrón , tienen tres quarks de valencia, pero también se ha demostrado que existen pentaquarks con cinco quarks (tres quarks de diferentes colores y también un par extra quark-antiquark). 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 de los quarks y antiquarks adicionales se cancelan.
Cada tipo de barión tiene una antipartícula correspondiente (antibarión) en la que los quarks son reemplazados por sus correspondientes antiquarks. Por ejemplo, así como un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo, su antipartícula correspondiente, el antiprotón, está formado por dos antiquarks arriba y un antiquark abajo.
En agosto de 2015, hay dos pentaquarks conocidos, P+
c(4380) y P+
c(4450) , ambos descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb . [4]
Los mesones son hadrones que contienen un número par de quarks de valencia (al menos 2). [1] Los mesones más conocidos están compuestos por un par quark-antiquark, pero es posible que se hayan descubierto posibles tetraquarks (4 quarks) y hexaquarks (6 quarks, que comprenden un dibarión o tres pares quark-antiquark) y se están investigando para confirmarlo. su naturaleza. [10] Pueden existir varios otros tipos hipotéticos de mesones exóticos que no entran dentro del modelo de clasificación de quarks. Estos incluyen bolas de pegamento y mesones híbridos (mesones unidos por gluones excitados ).
Debido a que los mesones tienen un número par de quarks, también son todos bosones , con espín entero , es decir , 0, +1 o −1. Tienen número bariónico B = 1/3−1/3= 0 . Ejemplos de mesones comúnmente producidos en experimentos de física de partículas incluyen piones y kaones . Los piones también desempeñan un papel en la unión de los núcleos atómicos a través de la fuerza fuerte residual .
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La definición del diccionario de hadrón en Wikcionario