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 bariones pertenecen a la familia de partículas hadrónicas ; Los hadrones están compuestos de quarks . Los bariones también se clasifican como fermiones porque tienen espín semientero .
El nombre "barión", introducido por Abraham Pais , [2] proviene de la palabra griega que significa "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 (antibarión) donde sus correspondientes antiquarks reemplazan a los quarks. Por ejemplo, un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo ; y su antipartícula correspondiente, el antiprotón , está formada por dos antiquarks arriba y un antiquark abajo.
Los bariones participan en la fuerza fuerte residual , que está mediada por partículas conocidas como mesones . Los bariones más familiares son los protones y los neutrones , los cuales contienen tres quarks, y por esta razón a veces se les 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 del fuerza potente). 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, del 50 al 60% en el medio circungaláctico, [3] y el 30 al 40% restante podrían localizarse en el medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM) . [4]
Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente ; es decir, sobre ellas actúa 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 el principio de exclusión.
Los bariones, junto con los mesones , son hadrones , partículas compuestas compuestas de quarks . Los quarks tienen números bariónicos de B = 1/3y los antiquarks tienen números bariónicos de B = −1/3. El término "barión" generalmente se refiere a los 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 era abrumadora en contra de la existencia de los pentaquarks reportados. [8] Sin embargo, en julio de 2015, el experimento LHCb observó dos resonancias consistentes con los estados del pentaquark en el Λ0
segundo→ 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 podemos encontrar o experimentar en la vida cotidiana es materia bariónica , que incluye átomos de cualquier tipo y les confiere la propiedad de masa. La materia no bariónica, como su nombre indica, 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 bariones también es una cuestión importante en cosmología porque 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 llama 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 la física de partículas también predicen que un solo protón puede desintegrarse , cambiando el número bariónico en uno; sin embargo, esto aún no se ha observado en experimentos. Se cree 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 comprende bien.
El concepto de isospin fue propuesto por primera vez por Werner Heisenberg en 1932 para explicar las similitudes entre protones y neutrones en la interacción fuerte . [12] Aunque tenían diferentes cargas eléctricas, sus masas eran tan similares que los físicos creían que eran la misma partícula. Se explicó que las diferentes cargas eléctricas eran el resultado de alguna excitación desconocida similar al espín. Esta excitación desconocida fue posteriormente denominada isospin por Eugene Wigner en 1937. [13]
Esta creencia duró hasta que Murray Gell-Mann propuso el modelo de quarks en 1964 (que originalmente contenía sólo los quarks u, d y s). [14] Ahora se entiende que el éxito del modelo de isospin es el resultado de 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 llevan carga +2/3mientras que los quarks d tienen carga:1/3. Por ejemplo, los cuatro Deltas tienen cargos diferentes (
Δ++
(uuuu),
Δ+
(uu),
Δ0
(udd),
Δ−
(ddd)), pero tienen masas similares (~1232 MeV/c 2 ), ya que cada uno de ellos está formado por una combinación de tres quarks u o d. Según el modelo de isospin, se consideraban una sola partícula en diferentes estados de carga.
Las matemáticas del isospin se modelaron a partir de las del espín. Las proyecciones de isospin variaban en incrementos de 1 al igual que las de spin, y a cada proyección se le asociaba un " estado de carga ". Como la " partícula Delta " tenía cuatro "estados cargados", se decía que era de isospin I = 3/2. Sus "estados cargados"
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
, y
Δ−
, correspondía a las proyecciones de isospin I 3 = +3/2, yo 3 = +1/2, yo 3 = −1/2, y yo 3 = −3/2, respectivamente. Otro ejemplo es la "partícula nucleónica". Como había dos "estados cargados" del nucleón, se decía que era de isospin.1/2. El nucleón positivo.
norte+
(protón) se identificó con I 3 = +1/2y el nucleón neutro
norte0
(neutrón) con I 3 = −1/2. [15] Más tarde se observó que las proyecciones de isospin estaban relacionadas con el contenido de quarks hacia arriba y hacia abajo de las partículas mediante la relación:
donde las n son el número de quarks y antiquarks arriba y abajo.
En la "imagen de isospin", 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 estados diferentes de los nucleones (los N ++ o N− están prohibidos por el principio de exclusión de Pauli ). Isospin, aunque transmite una imagen inexacta de las cosas, todavía se utiliza para clasificar bariones, lo que lleva a una nomenclatura antinatural 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 las partículas. Cuanto mayor es la masa, menor es la extrañeza (más quarks s). Las partículas podrían describirse con proyecciones de isospín (relacionadas con la carga) y extrañeza (masa) (ver las figuras de octetos y decuplets de uds a la derecha). A medida que se descubrieron otros quarks, se crearon nuevos números cuánticos que tenían una descripción similar de los octetos y decuplets udc y udb. Dado que sólo las masas u y d son similares, esta descripción de la masa y la carga de las partículas en términos de isospin y números cuánticos de sabor funciona bien sólo para octetos y decuplets formados por un u, un d y otro quark, y se descompone para los otros octetos y decuplets (por ejemplo, octeto y decuplet 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 acelerará más que un protón colocado en el mismo campo debido a su masa más ligera), y se dice que la simetría Estar destrozado .
Se observó que la carga ( Q ) estaba relacionada con la proyección de isospin ( I 3 ), el número bariónico ( B ) y los números cuánticos de sabor ( S , C , B ′, T ) mediante la fórmula de Gell-Mann-Nishijima : [15 ]
donde S , C , B ′ y T representan los números cuánticos de sabor de extrañeza , encanto , fondo y cima , respectivamente. Están relacionados con el número de quarks extraños, charm, bottom y top y antiquarks según las relaciones:
lo que significa que la fórmula Gell-Mann-Nishijima es equivalente a la expresión de carga en términos de contenido de quarks:
El espín (número cuántico S ) es una cantidad vectorial que representa el momento angular "intrínseco" de una partícula. Viene en incrementos de1/2 ħ (pronunciado "h-bar"). El ħ a menudo se omite porque es la unidad "fundamental" de giro, y se da a entender que "giro 1" significa "giro 1 ħ". En algunos sistemas de unidades naturales , ħ se elige como 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 longitud1/2, y tiene dos proyecciones de espín ( S z = +1/2y 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 sólo una proyección de espín ( S z = 0), etc. Dado que los bariones están formados por tres quarks, sus vectores de espín pueden sumar hacer 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 Sz = −3/2), o un vector de longitud S = 1/2con dos proyecciones de espín ( S z = +1/2, y Sz = −1/2). [dieciséis]
Hay otra cantidad de momento angular, llamada momento angular orbital ( número cuántico azimutal L ), que viene en incrementos de 1 ħ, 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 tanto, la combinación del momento angular intrínseco (espín) y el momento angular orbital. Puede tomar cualquier valor de J = | L − S | a J = | L + S | , en incrementos de 1.
Los físicos de partículas están más interesados en bariones sin momento angular orbital ( L = 0), ya que corresponden a estados fundamentales : estados de energía mínima. Por 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 = 1/2y L = 2, así como S = 3/2y 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 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 reflejo especular se denomina " paridad intrínseca " o simplemente "paridad" ( P ). La gravedad , la fuerza electromagnética y la interacción fuerte se comportan 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 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 en espejo, 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 cumplan las ecuaciones, las funciones de onda de ciertos tipos de partículas deben multiplicarse por −1, además de invertirse en sentido especular. Se dice que estos tipos de partículas tienen paridad negativa o impar ( P = −1, o alternativamente P = –), mientras que se dice que las otras partículas tienen paridad positiva o par ( P = +1, o alternativamente P = +).
Para bariones, la paridad está relacionada con el momento angular orbital mediante la relación: [19]
Como consecuencia, todos los bariones sin momento angular orbital ( L = 0) tienen paridad par ( P = +).
Los bariones se clasifican en grupos según sus valores de isospin ( I ) y su contenido de quarks ( q ). Hay seis grupos de bariones: nucleón (
norte
), delta (
Δ
), lambda (
Λ
), sigma (
Σ
), Xi (
Ξ
), y Omega (
Ω
). Las reglas de clasificación están definidas por el Grupo de datos de partículas . Estas reglas consideran el up (
tu
), abajo (
d
) y extraño (
s
) los quarks deben ser ligeros y el encanto (
C
), abajo (
b
), y arriba (
t
) 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 útil del quark top . Las reglas no cubren los pentaquarks. [20]
También es una práctica generalizada (pero no universal) seguir algunas reglas adicionales al distinguir entre algunos estados que de otro modo tendrían el mismo símbolo. [15]
Los quarks llevan carga, por lo que conocer la carga de una partícula da indirectamente el contenido del quark. Por ejemplo, las reglas anteriores dicen que un
Λ+
ccontiene 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 au quark ( Q = +2/3), y ad quark ( Q = −1/3) para tener la carga total correcta ( Q = +1).
El 'barión' es el nombre colectivo de los miembros de la familia de los nucleones.
Este nombre se debe a
Pais
.
Ver referencia.
(6).
![{\displaystyle I_{\mathrm {3} }={\frac {1}{2}}[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })-(n_{ \mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9ee3958c17cfa816641e621b04abfbd8fd88689a)
![{\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].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5177c7c0336b28e10854a00aff1dd2744641f728)
