En física de partículas , un hadrón ( / ˈ h æ d r ɒ n / ; delgriego antiguo ἁδρός(hadrós) 'robusto, espeso') es unapartícula subatómica compuestahecha de dos o másquarks unidospor lainteracción fuerte. Son análogos alas moléculas, que se mantienen unidas por lafuerza eléctrica. La mayor parte de lamasala materiaordinariaproviene 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. 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 Colaboración Belle [2] y confirmado como resonancia en 2014 por la colaboración LHCb . [3] Dos estados de pentaquark ( bariones exóticos ), llamados P+
c(4380) y P+
c(4450) , fueron descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb . [4] Hay varios candidatos de 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 ligados a un núcleo atómico ) son inestables y, finalmente, se desintegran en otras partículas. La única posible excepción conocida son los protones libres, que parecen ser estables o, al menos, tardan una inmensa cantidad de tiempo 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 611 segundos, y tienen una vida media de 879 segundos, [a] [5] véase desintegración de neutrones libres .
La física de los hadrones se estudia mediante la colisión de hadrones, por ejemplo, protones, entre sí o con los núcleos de elementos densos y pesados , como el plomo (Pb) o el oro (Au), y la detección de los restos en las lluvias de partículas producidas . Un proceso similar ocurre en el entorno 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]
El término "hadrón" es una nueva palabra griega introducida por LB Okun 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 de categoría:
A pesar de que este informe trata de interacciones débiles, con frecuencia tendremos que hablar de partículas que interactúan fuertemente. Estas partículas no sólo plantean numerosos problemas científicos, sino también un problema terminológico. El punto 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 llaman "no leptónicas ". Esta definición no es exacta porque "no leptónica" también puede significar fotónica. En este informe llamaré a las partículas que interactúan fuertemente "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]
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 abajo (con carga eléctrica −+1 ⁄ 3 ). Sumando estos, se obtiene la carga del 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 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 los que tienen la segunda disposición son un tipo de barión .
Los gluones virtuales sin masa componen la abrumadora mayoría de partículas dentro de los hadrones, así como los principales constituyentes de su masa (con la excepción de los quarks charm y bottom pesados ; el quark top se desvanece antes de que tenga tiempo de unirse a 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 corta duración 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; solo el pequeño exceso es aparente desde el exterior en forma de hadrón. Por lo tanto, cuando se afirma que un hadrón o antihadrón está compuesto (normalmente) de dos o tres quarks, esto técnicamente se refiere al exceso constante de quarks frente a antiquarks.
Como 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 C-paridad ) 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 ( G-paridad ) y la extrañeza . Todos los quarks tienen un número cuántico aditivo y conservado llamado número bariónico ( B ), que es ++1 ⁄ 3 para quarks y −+1 ⁄ 3 para los antiquarks. Esto significa que los bariones (partículas compuestas de tres, cinco o un número mayor de quarks) tienen B = 1, mientras que los mesones tienen B = 0.
Los hadrones tienen estados excitados conocidos como resonancias . Cada hadrón en estado fundamental puede tener varios estados excitados; se han observado varios cientos de resonancias diferentes en experimentos. Las resonancias se desintegran extremadamente rápido (en unos 10 −24 segundos ) a través de la fuerza nuclear fuerte.
En otras fases de la materia los hadrones pueden desaparecer. Por ejemplo, a temperaturas y presiones muy elevadas, a menos que haya suficientes variedades de quarks, la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) predice que los quarks y los 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 .
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 que existen pentaquarks con cinco quarks (tres quarks de diferentes colores y también un par quark-antiquark adicional). Debido a que los bariones tienen un número impar de quarks, también son todos fermiones , es decir , tienen un 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 del antiquark adicionales se cancelan.
Cada tipo de barión tiene una antipartícula correspondiente (antibaryon) en la que los quarks son reemplazados por sus antiquarks correspondientes. Por ejemplo, así como un protón está formado por dos quarks up y un quark down, su antipartícula correspondiente, el antiprotón, está formada por dos antiquarks up y un antiquark down.
A partir de agosto de 2015, se conocen dos pentaquarks, 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 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 estén investigando para confirmar su naturaleza. [10] Pueden existir varios otros tipos hipotéticos de mesones exóticos que no caen dentro del modelo de clasificación de quarks. Estos incluyen bolas de pegamento y mesones híbridos (mesones unidos por gluones excitados ).
Como 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 .Entre los ejemplos de mesones que se producen habitualmente en experimentos de física de partículas se incluyenlos pionesylos kaones. Los piones también desempeñan un papel en la uniónde los núcleos atómicosa través de lafuerza fuerte residual.
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La definición del diccionario de hadrón en Wikcionario