Barión

Barión

Octet bariónico.

Diferencia entre els bariones i els posades.

Nom i càrrega elèctrica dels components de la matèria.

Els bariones (del grec βαρύς, barys, “pesat”) són una família de partícules subatòmiques formades per tres cuarks. Els més representatius, per formar el núcleu de l'àtom, són el neutró i el protón; pero també existix un atre gran número de bariones, encara que tots estos són inestables. El nom de barión es deu a que es va creure, quan va ser descobert, que posseïa una massa major que unes atres partícules.

El terme barión, introduït per Abraham Pais, prové del terme grec antic «βαρύς» (barýs), que significa «pesat». El nom va ser elegit perque, en el moment de la seua denominació, les masses de la majoria de les partícules conegudes eren menors que les dels bariones. Cada barión posseïx una antipartícula corresponent, denominada antibarión, en la qual els cuarks que componen al barión original són reemplaçats pels seus respectius antiquarks. Per eixemple, un protón està format per dos cuarks dalt i un cuark avall, mentres que el seu antipartícula, l'antiprotón, està composta per dos antiquarks up i un antiquark down. En estar composts de cuarks, els bariones participen en l'interacció forta, que és mediada per partícules conegudes com gluón. Els bariones més coneguts són els protones i els neutrons, abdós en tres cuarks, per lo que a voltes se'ls denomina triquarks. Estes partícules constituïxen la major part de la massa de la matèria visible en l'univers i componen el núcleu de cada àtom. Els electrons, l'atre component principal de l'àtom, són membres d'una família diferent de partícules nomenades leptones; els leptones no interactuen a través de la força forta). També s'han descobert i estudiat bariones exòtics que contenen cinc cuarks, denominats pentaquarks. Un cens dels bariones de l'Univers indica que el 10% d'ells podrien trobar-se en l'interior de les galàxies, entre el 50 i el 60% en el mig circungaláctico, i el 30 o 40% restant podria trobar-se en el mig intergaláctico calent (WHIM).

Classificació

Els bariones són fermiones afectats per l'interacció nuclear forta, per lo que estan somesos al principi d'exclusió de Pauli i poden ser descrits per mig de l'estadística de Fermi-Dirac. Al contrari que els bosones, que no satisfan el principi d'exclusió. Els bariones pertanyen, junt en els posades, a la família de partícules nomenades hadrones, és dir, aquelles compostes per cuarks. Es diferencien de les posades per estar composts per tres cuarks, mentres que els últims estan composts per un cuark i un antiquark. Els cuarks tenen un número bariónico de ___*$B=\frac{1}{3}$ y els antiquarks $B=-\frac{1}{3}$. Se ha propuesto la existencia de bariones exóticos como els pentaquarks, compuestos por cuatro cuarks y un antiquark ($B=\frac{1}{3}+\frac{1}{3}+\frac{1}{3}+\frac{1}{3}-\frac{1}{3}=1$).

S'han propost uns atres bariones exòtics, com els pentaquarks -bariones formats per quatre cuarks i un antiquark (B =  ¹⁄₃ + ¹⁄₃ + ¹⁄₃ + ¹⁄₃ − ¹⁄₃ = 1), pero la seua existència no és generalment acceptada. La comunitat de físics de partícules en el seu conjunt no considerava provable la seua existència en 2006, i, en 2008, varen considerar que les proves eren abrumadoramente contràries a l'existència dels pentaquarks dels que s'havia informat. No obstant, en juliol de 2015, l'experiment LHCb va observar dos resonàncies consistents en estats de pentaquarks en el ΛPlantilla:La seua → J/ψKPlantilla:La seuap, en una significació estadística combinada de 15σ.

En teoria, també podrien existir heptaquarks (5 cuarks, 2 antiquarks), nonaquarks (6 cuarks, 3 antiquarks), etc.

Bariogénesis

Artícul principal → Bariogénesis.

Els experiments són consistents en que el número de cuarks en l'univers és una constant i, per a ser més específics, el número de bariones és una constant (si l'antimatèria es conta com a negativa); en llenguage tècnic, el número de bariones total sembla ser conservat. Dins del model estàndar predominant de la física de partícules, el número de bariones pot canviar en múltiples de tres per l'acció d'esfalerones, encara que açò és rar i no s'ha observat experimentalment. Algunes grans teories unificades de la física de partícules també prediuen que un sol protón pot decaure, canviant el número de bariones en un; no obstant, açò encara no s'ha observat experimentalment. Es creu que l'excés de bariones sobre antibariones en l'univers actual es deu a la no conservació del número de bariones en l'univers primitiu, encara que açò no es comprén be.

Propietats

Isospín i càrrega

Artícul principal → Isospin.

Les combinacions de tres quarks o, d o quark estranys formant bariones en un espin-³⁄₂ formen el decuplete de bariones

Les combinacions de tres quarks o, d o s que formen bariones en un espin-¹⁄₂ formen el uds

El concepte d'isospín va ser propost per Werner Heisenberg en 1932, explica les similituts entre protones i neutrons baix l'Interacció forta. Encara que tenien diferents càrregues elèctriques, les seues masses eren tan similars que els físics creïen que eren la mateixa partícula. Les diferents càrregues elèctriques es varen explicar com el resultat d'alguna excitació desconeguda similar a l'espin. Esta excitació desconeguda va ser posteriorment denominada isospin per Eugene Wigner en 1937.

En l'any 1964 Murray Gell-Mann va propondre el model de cuark, en tres tipos, el o, d i s. Els cuarks o i d té masses similars, per lo tant, les partícules fetes del mateix número, també tenen masses similars. La composició exacta dels cuarks o i d determina la càrrega, ya que els cuarks o duen la càrrega ___*$\frac{2}{3}$, mientras que els cuarks d llevan la carga $-\frac{1}{3}$.

Actualmente se entiende que el éxito del modelo isospín es el resultado de les masas similares dels cuarks u y d. Dado que els cuarks u y d tienen masas similares, les partículas formades por el misme número también tienen masas similares. Por ejemplo, els cuatro Deltas tienen todos cargas diferentes Δ++, Δ+, Δ0 y Δ− (Delta++ (uuu), Delta+ (uud), Delta0 (udd), Delta- (ddd)), pero tienen masas similares (~1.232 MeV/c²) ya que cada una está formada por una combinación de tres cuarks u o d. Según el modelo d'isospín, se consideraban una sola partícula en diferentes estados de carga. atre ejemplo es la "partícula nucleón". Como había dos "estados cargados" del nucleón, se decía que era d'isospin ¹⁄₂. El nucleón positiu Plantilla:SubatomicParticle (protón) se identificaba con I₃ = +¹⁄₂ y el nucleón neutro Plantilla:SubatomicParticle (neutrón) con I₃ = -¹⁄₂. Más tarde se observó que les proyeccions d'isospín estaban relacionades con el contenido de cuarks up y down de les partículas mediante la relació:

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

a on n és el número de cuarks up i down i d'antiquarks. En la "image isospínica", es pensava que les quatre Deltes i els dos nucleones eren estats diferents de dos partícules. No obstant, en el model dels cuarks, les Deltes són estats diferents dels nucleones (els N⁺⁺ o N^- estan prohibits pel principi d'exclusió de Pauli). El isospín, encara que transmet una image inexacta de les coses, se seguix utilisant per a classificar els bariones, lo que du a una nomenclatura poc natural i a sovint confusa.

Números quàntics de sabor

Artícul principal → Sabor (física de partícules).

l'estranyea número quàntic de sabor S (no confondre en espin) es va observar que pujava i baixava junt en la massa de la partícula. A major massa, menor estranyea (més cuarks s). Les partícules podien descriure's en proyeccions d'isospín (relacionat en la càrrega) i estranyea (massa) (vejau les figures uds octet i decuplete de la dreta). A mida que es varen descobrir atres cuarks, es varen fer nous números quàntics per a tindre una descripció similar dels octets i decuplets udc i udb. ya que només la massa d'o i d són similars, esta descripció de la massa i càrrega de la partícula en térmens d'isospín i números quàntics de sabor funciona be només per a octets i decuplets fets d'un o, un d i un atre cuark, i es trenca per als atres octets i decuplets (per eixemple, ucb octet i decuplet). Si tots els cuarks tingueren la mateixa massa, el seu comportament es cridaria simètric, ya que tots es comportarien de la mateixa manera davant l'interacció forta. Com els cuarks no tenen la mateixa massa, no interaccionen de la mateixa manera (exactament igual que un electró colocat en un camp elèctric accelerarà més que un protón colocat en el mateix camp per la seua massa més llaugera), i es diu que la simetria està trencada. Es va observar que la càrrega (Q) estava relacionada en la proyecció d'isospín (I₃), el número de bariones (B) i els números quàntics de sabor (S, C, B′, T) per mig de la fòrmula de Gell-Mann-Nishijima:

$Q=I_3+\frac{1}{2}(B+S+C+B^{\prime }+T),$

donde S, C, B′, y T representan els números cuánticos de sabor extrañeza, encanto, belleza y verdad, respectivamente. Están relacionados con el número de cuarks y antiquarks extraños, charm, bottom y top según les relaciones:

$\begin{array}{cc}S& =-(n_{\mathrm{s}}-n_{\overline{\mathrm{s}}}),\\ C& =+(n_{\mathrm{c}}-n_{\overline{\mathrm{c}}}),\\ B^{\prime }& =-(n_{\mathrm{b}}-n_{\overline{\mathrm{b}}}),\\ T& =+(n_{\mathrm{t}}-n_{\overline{\mathrm{t}}}),\end{array}$

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

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

Tipos

Vore també: Anex:Taula de bariones

Junt al protón i al neutró, dins de la família dels bariones es troben també les partícules delta (Δ), lambda (Λ), sigma (Σ), xi (Ξ) i omega (Ω). Els bariones delta (Δ⁺⁺, Δ⁺, Δ⁰, Δ^-) estan composts per cuarks dalt i avall, de tal manera que el spin total és 3/2. Es desintegren en un pion i en un protón o un neutró. Els bariones lambda (Λ⁰) estan composts per un cuark dalt, un avall i un cuark estrany, en els cuarks dalt i avall en un estat de spin isotòpic 0 (sabor antisimètric). L'observació delambda neutre va supondre la primera evidència del cuark estrany. El barión lambda casi sempre es desintegra en un protón i un pion en càrrega, o en un neutró i un pion neutre. Els bariones sigma (Σ⁺, Σ⁰, Σ^-) estan composts també per un cuark estrany i la combinació d'un cuark dalt i un atre avall, pero en un estat de spin isotòpic 1. El Σ⁰ posseïx la mateixa estructura de cuarks que el Λ⁰ (dalt, avall i estrany), per lo que la seua desintegració és molt més ràpida que el Σ⁺ (dalt, dalt, estrany) i el Σ^- (avall, avall, estrany). Els bariones xi (Ξ⁰, Ξ^-) estan composts de dos cuarks estranys i un cuark dalt o avall. Es desintegren generalment en un pion i un barión lambda, que a la seua volta es desintegra com a tal. Per esta seqüència en cascada de desintegracions, a Ξ se li crida també partícula en cascada (cascade particle). el barión omega negatiu (Ω^-) està compost de tres cuarks estranys. El seu descobriment va supondre un gran alvanç en l'estudi dels processos dels cuarks, ya que solament des de llavors es va poder predir la seua massa i la seua desintegració. Els bariones composts per cuarks pesats se sifren afegint un subíndex, el qual indica que un cuark estrany pot ser substituït per un atre més pesat (Ej.: Λ⁺_c està compost per cuark encantat, dalt i avall; en lloc de dalt, avall i estrany).

Matèria bariónica

la matèria bariónica és aquella en la massa de la qual predominen els bariones, la qual pot estar formada per àtoms de tot tipo, i per tant, ser casi qualsevol tipo de matèria. El seu contrari és la matèria no bariónica, que pot estar formada per neutrins o electrons lliures, o inclús per espècies estranyes de matèria obscura no bariónica, tals com partícules supersimétricas, axiones o forats negres. La distinció entre matèria bariónica i no bariónica resulta d'especial importància en cosmologia, ya que la cantitat de matèria bariónica present en l'univers primitiu determina en gran medida els models de nucleosíntesis produïts en el Big Bang. La mera existència de bariones resulta ya un fet cosmològic significatiu, ya que es presupon que el Big Bang va produir una cantitat igual de bariones i d'antibariones. El procés per mig del qual el número de bariones supera al dels seus antipartículas és cridat bariogénesis (análogamente al procés de leptogénesis, per mig del quala cantitat de matèria formada per leptones supera a la seua antimatèria).

Vore també

• bosón
• física de partícules
• leptón
• llista de partícules
• model estàndar de física de partícules
• unió bariónica

Bibliografia

• (1964).«A schematic model of baryons and mesons».Science.8(3)

214–215.doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

• (2005).«Reviewing the Evidence for Pentaquarks».Journal of Physics.9

192-204.doi:10.1088/1742-6596/9/1/03.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

• Wong (1998). Chapter 3—The Deuteron - Introductory Nuclear Physics, 2dona. edició (en anglés), Nova York: John Wiley & Sons, pp. 57–104. ISBN ISBN 0-471-23973-9.

• (1937).«On the Consequences of the Symmetry of the Nuclear Hamiltonian on the Spectroscopy of Nuclei».Physical Review.51(2)

106–119.doi:10.1103/PhysRev.51.106.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

• (1964).«A Schematic of Baryons and Mesons».Physics Letters.8(3)

214–215.doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

• (1932).«*Über donen Bau der Atomkerne I».Zeitschrift für Physik.77

1–11.doi:10.1007/BF01342433.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

• (2005).«Status of baryon spectroscopy».Journal of Physics.5

230–237.doi:10.1088/1742-6596/9/1/043.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

• (2007).«Faddeev study of heavy-baryon spectroscopy».Journal of Physics.34(5)

961–976.doi:10.1088/0954-3899/34/5/014.Consultat el 18 d'octubre de 2018.

Enllaços externs

Barión en el Viccionari.