Hadrón

En física de partículas, un hadrón (griego antiguo: ἁδρός, romanizado: hadrós; "fuerte, grueso") es una partícula subatómica compuesta hecha de dos o más quarks unidos por el fuerte interacción. Son análogos a las moléculas que se mantienen unidas por la fuerza eléctrica. La mayor parte de la masa de la materia ordinaria proviene de dos hadrones: el protón y el neutrón, mientras que la mayor parte de la masa de los protones y neutrones se debe a su vez a la energía de enlace de sus quarks constituyentes, debido a la fuerza fuerte.

Los hadrones se clasifican en dos grandes familias: los bariones, formados por un número impar de quarks (normalmente tres quarks) y los mesones, formados por un número par de quarks (normalmente dos quarks: un quark y un antiquark). Los protones y los neutrones (que constituyen la mayor parte de la masa de un átomo) son ejemplos de bariones; Los piones son un ejemplo de un 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 Belle Collaboration y confirmado como una resonancia en 2014 por la colaboración LHCb. Dos estados de pentaquark (bariones exóticos), llamados P_C(4380) y P_C(4450), fueron descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb. Hay varios candidatos de hadrones más exóticos y otras combinaciones de quarks de color-singlete 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 descomponen en otras partículas. La única posible excepción conocida son los protones libres, que parecen ser estables o, al menos, tardan mucho tiempo en descomponerse (del orden de 10 años). A modo de comparación, los neutrones libres son la partícula inestable de vida más larga y se desintegran con una vida media de unos 879 segundos.Experimentalmente, la física de hadrones se estudia haciendo colisionar protones o núcleos de elementos densos y pesados, como el plomo o el oro, y detectando los desechos en las lluvias de partículas producidas. El mismo proceso ocurre en el entorno natural, en la atmósfera superior extrema, donde los muones y los mesones, como los piones, se producen por las colisiones de los rayos cósmicos con las partículas de gas enrarecido en la atmósfera exterior.

Terminología y etimología

El término "hadron" es una nueva palabra griega introducida por LB Okun y en una charla plenaria en la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías de 1962 en el CERN. Abrió su charla con la definición de un nuevo término de categoría:

A pesar de que este informe trata sobre 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. El punto es que " partículas que interactúan fuertemente " es un término muy torpe que no da lugar a la formación de un adjetivo. Por esta razón, para tomar solo 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",que significa "pequeño", "ligero"). Espero que esta terminología resulte conveniente. —LB Okun (1962)

Propiedades

De acuerdo con el modelo de quarks, 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). Sumar estos juntos produce la carga de protones 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". 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 el primer arreglo son un tipo de mesón, y aquellos con el segundo arreglo son un tipo de barión.

Los gluones virtuales sin masa componen la abrumadora mayoría de las partículas dentro de los hadrones, así como los componentes principales de su masa (con la excepción de los quarks de encanto pesado y de fondo; el quark superior se desvanece antes de que tenga tiempo de unirse en 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). Un resultado es que pares de quarks virtuales y antiquarks de corta duración se forman y desaparecen continuamente dentro de un hadrón. Debido a que los quarks virtuales no son paquetes de ondas estables (quanta), sino un fenómeno irregular y transitorio, no tiene sentido preguntar qué quark es real y cuál virtual; sólo el pequeño exceso es aparente desde el exterior en forma de hadrón. Por lo tanto, cuando se afirma que un hadrón o antihadrón consta (típicamente) de 2 o 3 quarks, 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 (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. 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 llevar números cuánticos de sabor como isospin (paridad G) y extrañeza. Todos los quarks llevan un número cuántico aditivo conservado 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 en estado fundamental puede tener varios estados excitados; Se han observado varios cientos de resonancias en experimentos. Las resonancias decaen extremadamente rápido (en unos 10 segundos) a través de la fuerza nuclear fuerte.

En otras fases de la materia los hadrones pueden desaparecer. Por ejemplo, a muy alta temperatura y alta presión, a menos que haya suficientes tipos 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 energía". Esta propiedad, que se conoce como libertad asintótica, se ha confirmado experimentalmente en el rango de energía entre 1 GeV (gigaelectronvoltio) y 1 TeV (teraelectronvoltio). Todos los hadrones libres excepto (posiblemente) el protón y el antiprotón son inestables.

Bariones

Los bariones son hadrones que contienen un número impar de quarks de valencia (al menos 3). 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 de quark-antiquark. Debido a que los bariones tienen un número impar de quarks, también son todos fermiones, es decir, tienen espín medio entero. Como los quarks poseen el número bariónico B = ¹ ⁄ ₃, los bariones tienen el número bariónico B = 1. Los pentaquarks también tienen B = 1, ya que los números bariónicos del quark extra y del antiquark se cancelan.

Cada tipo de barión tiene una antipartícula correspondiente (antibarion) en la que los quarks se reemplazan por sus correspondientes antiquarks. Por ejemplo, así como un protón está formado por dos quarks up y un quark down, su correspondiente antipartícula, el antiprotón, está formado por dos antiquarks up y un antiquark down.

En agosto de 2015, hay dos pentaquarks conocidos, P_C(4380) y P_C(4450), ambos descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb.

Mesones

Los mesones son hadrones que contienen un número par de quarks de valencia (al menos 2). Los mesones más conocidos están compuestos por un par quark-antiquark, pero es posible que se hayan descubierto tetraquarks (4 quarks) y hexaquarks (6 quarks, que comprenden un dibarión o tres pares quark-antiquark) y se están investigando para confirmar su naturaleza. 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).

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.