Barión

En física de partículas, un barión es un tipo de partícula subatómica compuesta que contiene un número impar de quarks de valencia (al menos 3). Los bariones pertenecen a la familia de partículas de los hadrones; los hadrones están compuestos por quarks. Los bariones también se clasifican como fermiones porque tienen un espín medio entero.

El nombre "baryon", introducido por Abraham Pais, 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 más bajas que los bariones. Cada barión tiene una antipartícula correspondiente (antibarion) 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 formada por dos antiquarks arriba y uno abajo.

Debido a que están compuestos de quarks, los bariones participan en la interacción fuerte, que está mediada por partículas conocidas como gluones. 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 de la fuerza 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 podría encontrarse dentro de las galaxias, del 50 al 60% en el medio circungaláctico, y el 30 al 40% restante podría ubicarse en el medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM).

Fondo

Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente; es decir, sobre ellos actúa la fuerza nuclear fuerte y están descritos por las estadísticas de Fermi-Dirac, que se aplican a todas las partículas que obedecen el 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 = 1/3y los antiquarks tienen números bariónicos de B = −1/3. El término "barión" 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), pero generalmente no se acepta su existencia. La comunidad de física de partículas en su conjunto no consideraba probable su existencia en 2006, y en 2008 consideró que la evidencia estaba abrumadoramente en contra de la existencia de los pentaquarks informados. Sin embargo, en julio de 2015, el experimento LHCb observó dos resonancias consistentes con estados de pentaquark en el Λ_b→ J/ψKp decae, con una significación estadística combinada de 15σ.

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

Materia bariónica

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 masa. La materia no bariónica, como su nombre lo 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 un tema 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 denomina bariogénesis.

Bariogénesis

Los experimentos son consistentes con el número de quarks en el universo siendo una constante y, para ser más específicos, el número de bariones siendo una constante (si la antimateria se cuenta como negativa); en lenguaje técnico, el número bariónico total parece estar conservado. Dentro del modelo estándar prevaleciente 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 bajo experimentación. Algunas grandes teorías unificadas de la física de partículas también predicen que un solo protón puede decaer, cambiando el número bariónico por uno; sin embargo, esto aún no se ha observado bajo experimentación. Se cree que el exceso de bariones sobre antibariones en el universo actual se debe a la falta de conservación del número de bariones en el universo muy primitivo, aunque esto no se entiende bien.

Propiedades

Isospin y carga

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. Aunque tenían cargas eléctricas diferentes, sus masas eran tan similares que los físicos creían que eran la misma partícula. Las diferentes cargas eléctricas se explicaron como el resultado de alguna excitación desconocida similar al espín. Esta excitación desconocida fue posteriormente denominada isospin por Eugene Wigner en 1937.

Esta creencia duró hasta que Murray Gell-Mann propuso el modelo de quarks en 1964 (que originalmente contenía solo los quarks u, d y s). Ahora se entiende que el éxito del modelo isospin 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 llevan carga +2/3mientras que los quarks d llevan carga −1/3. Por ejemplo, los cuatro Deltas tienen cargos diferentes (Δ(uuu),Δ(uuud),Δ(ud),Δ(ddd)), pero tienen masas similares (~1,232 MeV/c) ya que cada uno está hecho de una combinación de tres quarks u o d. Bajo el modelo isospin, se consideraban una sola partícula en diferentes estados cargados.

Las matemáticas del isospín 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 cargado". Dado que la "partícula Delta" tenía cuatro "estados cargados", se decía que era de isospina I = 3/2. Sus "estados cargados"Δ,Δ,Δ, yΔ, correspondía a las proyecciones isospín I ₃ = +3/2, yo ₃ = +1/2, yo ₃ = −1/2, y yo ₃ = −3/2, respectivamente. Otro ejemplo es la "partícula de nucleón". Como había dos "estados cargados" de nucleón, se decía que era de isospin1/2. El nucleón positivonorte(protón) se identificó con I ₃ = +1/2y el nucleon neutronorte(neutrón) con I ₃ = −1/2. Más tarde se observó que las proyecciones de isospín estaban relacionadas con el contenido de quarks arriba y abajo de las partículas mediante la relación:

donde las n 's son el número de quarks up, down y antiquarks.

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 diferentes estados de los nucleones (la N o la N están prohibidas por el principio de exclusión de Pauli). Isospin, aunque transmite una imagen inexacta de las cosas, todavía se usa para clasificar los bariones, lo que lleva a una nomenclatura antinatural y, a menudo, confusa.

Números cuánticos de sabor

La extrañeza del sabor del número cuántico S(que no debe confundirse con el espín) se observó que 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) (consulte las figuras del octeto uds y el decuplet a la derecha). A medida que se descubrieron otros quarks, se crearon nuevos números cuánticos para tener una descripción similar de los octetos y decuplets udc y udb. Dado que solo las masas u y d son similares, esta descripción de la masa y la carga de las partículas en términos de isospín y números cuánticos de sabor funciona bien solo para el octeto y el decuplet hechos de un u, un d y otro quark, y se descompone para el 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. Dado que 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 la simetría se dice Estar destrozado.

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:

donde S, C, B ′ y T representan los números cuánticos de sabor de extrañeza, encanto, inferioridad y superioridad, respectivamente. Están relacionados con el número de quarks strange, charm, bottom, top y antiquark según las relaciones:

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

Spin, momento angular orbital y momento angular total

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 espín1/2(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 giros alineados, en cuyo caso los dos vectores de giro se suman para formar un vector de longitud S = 1 y tres proyecciones de giro (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 solo tiene 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 S _z = −3/2), o un vector de longitud S = 1/2con dos proyecciones de espín (S _z = +1/2, y S _z = −1/2).

Hay otra cantidad de momento angular, llamada momento angular orbital (número cuántico azimutal L), que viene en incrementos de 1 ħ, que representan 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 (spin) 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 los 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 = 1/2y J = 3/2, respectivamente, aunque no son los únicos. También es posible obtener J = 3/2partículas 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 de bariones.

Paridad

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 llamamos "izquierda" y lo que llamamos "derecha". Este concepto de reflexión 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).

Basado en 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 un espejo, entonces el nuevo conjunto de funciones de onda cumpliría perfectamente con 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 deben multiplicarse por −1, además de invertirse en un espejo. Se dice que tales 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 por la relación:

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

Nomenclatura

Los bariones se clasifican en grupos según sus valores de isospín (I) y contenido de quarks (q). Hay seis grupos de bariones: nucleón (norte), Delta (Δ), lambda (Λ), Sigma (Σ), Xi (Ξ), y Omega (Ω). Las reglas para la clasificación están definidas por el Grupo de Datos de Partículas. Estas reglas consideran el up (tu), abajo (d) y extraño (s) quarks para ser luz y el encanto (C), abajo (b), y arriba (t) quarks 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 de los quarks top. Las reglas no cubren los pentaquarks.

• Bariones con (cualquier combinación de) trestuy/odlos quarks sonnortes (yo =1/2) oΔbariones (I =3/2).
• Bariones que contienen dostuy/odlos quarks sonΛbariones (I = 0) oΣbariones (I = 1). Si el tercer quark es pesado, su identidad viene dada por un subíndice.
• Bariones que contienen unotuodlos quarks sonΞbariones (I =1/2). Se utilizan uno o dos subíndices si uno o ambos de los quarks restantes son pesados.
• Bariones que no contienentuodlos quarks sonΩbariones (I = 0), y los subíndices indican cualquier contenido pesado de quarks.
• Los bariones que se desintegran fuertemente tienen sus masas como parte de sus nombres. Por ejemplo, Σ no decae fuertemente, pero Δ (1232) sí.

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.

• Bariones en momento angular total J = 3/2configuración que tienen los mismos símbolos que su J = 1/2las contrapartes se indican con un asterisco (*).
• Se pueden formar dos bariones a partir de tres quarks diferentes en J = 1/2configuración. En este caso, se usa un primo (′) para distinguirlos.
  • 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 da indirectamente el contenido de quark. Por ejemplo, las reglas anteriores dicen que unΛ_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 au quark (Q = +2/3), y ad quark (Q = −1/3) para tener la carga total correcta (Q = +1).