Baryon - Baryon

En physique des particules , un baryon est un type de particule subatomique composite qui contient un nombre impair de quarks de valence (au moins 3). Les baryons appartiennent à la famille des particules hadroniques ; les hadrons sont composés de quarks . Les baryons sont également classés comme fermions car ils ont un spin demi-entier .

Le nom « baryon », introduit par Abraham Pais , vient du mot grec pour « lourd » (βαρύς, barýs ), car, au moment de leur appellation, la plupart des particules élémentaires connues avaient des masses inférieures à celles des baryons. Chaque baryon a une antiparticule correspondante (antibaryon) où leurs antiquarks correspondants remplacent les quarks. Par exemple, un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down ; et son antiparticule correspondante, l' antiproton , est composée de deux antiquarks up et d'un antiquark down.

Parce qu'ils sont composés de quarks, les baryons participent à l' interaction forte , qui est médiée par des particules appelées gluons . Les baryons les plus connus sont les protons et les neutrons , qui contiennent tous deux trois quarks, et pour cette raison ils sont parfois appelés triquarks . Ces particules constituent la majeure partie de la masse de la matière visible dans l' univers et composent le noyau de chaque atome . (Les électrons , l'autre composant majeur de l'atome, sont membres d'une autre famille de particules appelées leptons ; les leptons n'interagissent pas via la force forte.) Des baryons exotiques contenant cinq quarks, appelés pentaquarks , ont également été découverts et étudiés.

Un recensement des baryons de l'Univers indique que 10 % d'entre eux pourraient être trouvés à l'intérieur des galaxies, 50 à 60 % dans le milieu circumgalactique , et les 30 à 40 % restants pourraient être situés dans le milieu intergalactique chaud-chaud (WHIM).

Fond

Les baryons sont des fermions en interaction forte ; c'est-à-dire qu'elles sont sollicitées par la force nucléaire forte et sont décrites par les statistiques de Fermi-Dirac , qui s'appliquent à toutes les particules obéissant au principe d'exclusion de Pauli . Ceci contraste avec les bosons , qui n'obéissent pas au principe d'exclusion.

Les baryons, avec les mésons , sont des hadrons , des particules composées de quarks . Les quarks ont des nombres baryoniques de B  = 1/3et les antiquarks ont des nombres baryoniques de B  = −1/3. Le terme « baryon » fait généralement référence aux triquarks — des baryons constitués de trois quarks ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

D'autres baryons exotiques ont été proposés, tels que les pentaquarks — des baryons constitués de quatre quarks et d'un antiquark ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1), mais leur existence n'est généralement pas acceptée. La communauté de la physique des particules dans son ensemble ne considérait pas leur existence comme probable en 2006, et en 2008, considérait que les preuves étaient massivement contre l'existence des pentaquarks signalés. Cependant, en juillet 2015, l' expérience LHCb a observé deux résonances cohérentes avec les états du pentaquark dans le0
b
→ J/ψK
p décroissance, avec une signification statistique combinée de 15σ.

En théorie, des heptaquarks (5 quarks, 2 antiquarks), des nonaquarks (6 quarks, 3 antiquarks), etc. pourraient également exister.

Matière baryonique

Presque toute la matière qui peut être rencontrée ou expérimentée dans la vie quotidienne est de la matière baryonique , qui comprend des atomes de toute sorte et leur confère la propriété de masse. La matière non baryonique, comme son nom l'indique, est toute sorte de matière qui n'est pas composée principalement de baryons. Cela pourrait inclure les neutrinos et les électrons libres , la matière noire , les particules supersymétriques , les axions et les trous noirs .

L'existence même des baryons est également un problème important en cosmologie car on suppose que le Big Bang a produit un état avec des quantités égales de baryons et d'antibaryons. Le processus par lequel les baryons sont devenus plus nombreux que leurs antiparticules est appelé baryogenèse .

Baryogenèse

Les expériences sont cohérentes avec le nombre de quarks dans l'univers étant une constante et, pour être plus précis, le nombre de baryons étant une constante (si l'antimatière est comptée comme négative); en langage technique, le nombre total de baryons semble être conservé . Dans le modèle standard en vigueur de la physique des particules, le nombre de baryons peut changer par multiples de trois en raison de l'action des sphalérones , bien que cela soit rare et n'ait pas été observé expérimentalement. Certaines grandes théories unifiées de la physique des particules prédisent également qu'un seul proton peut se désintégrer, modifiant ainsi le nombre de baryons de un ; cependant, cela n'a pas encore été observé dans le cadre de l'expérience. On pense que l'excès de baryons par rapport aux antibaryons dans l'univers actuel est dû à la non- conservation du nombre de baryons dans le tout premier univers, bien que cela ne soit pas bien compris.

Propriétés

Isospin et charge

Combinaisons de trois quarks u , d ou s formant des baryons avec un spin-3/2forment le decuplet du baryon uds
Combinaisons de trois quarks u , d ou s formant des baryons avec un spin-1/2forment l' octet baryon uds

Le concept d'isospin a été proposé pour la première fois par Werner Heisenberg en 1932 pour expliquer les similitudes entre les protons et les neutrons dans le cadre de l' interaction forte . Bien qu'ils aient des charges électriques différentes, leurs masses étaient si similaires que les physiciens pensaient qu'il s'agissait de la même particule. Les différentes charges électriques ont été expliquées comme étant le résultat d'une excitation inconnue similaire au spin. Cette excitation inconnue a ensuite été surnommée isospin par Eugene Wigner en 1937.

Cette croyance a duré jusqu'à ce que Murray Gell-Mann propose le modèle des quarks en 1964 (contenant à l'origine uniquement les quarks u, d et s). Le succès du modèle isospin est maintenant compris comme le résultat des masses similaires des quarks u et d. Comme les quarks u et d ont des masses similaires, les particules constituées du même nombre ont alors également des masses similaires. La composition spécifique exacte des quarks u et d détermine la charge, car les quarks u portent une charge +2/3 tandis que les quarks d portent la charge −1/3. Par exemple, les quatre Deltas ont tous des frais différents (
??++
(uuu),
??+
(uud),
??0
(foud),
??
(ddd)), mais ont des masses similaires (~1 232 MeV/c 2 ) car ils sont chacun constitués d'une combinaison de trois quarks u ou d. Dans le modèle isospin, ils étaient considérés comme une seule particule dans différents états chargés.

Les mathématiques de l'isospin ont été modelées sur celles du spin. Les projections d'isospin variaient par incréments de 1 tout comme celles de spin, et à chaque projection était associé un " état chargé ". Puisque la " particule Delta " avait quatre " états chargés ", on disait qu'elle était d'isospin I  = 3/2. Ses "états chargés"
??++
,
??+
,
??0
, et
??
, correspondait aux projections isospin I 3  = +3/2, je 3  = +1/2, I 3  = −1/2, et I 3  = −3/2, respectivement. Un autre exemple est la "particule nucléon". Comme il y avait deux "états chargés" de nucléons, on disait qu'il s'agissait d'isospin1/2. Le nucléon positif
N+
(proton) a été identifié avec I 3  = +1/2 et le nucléon neutre
N0
(neutron) avec I 3  = −1/2. Il a été noté plus tard que les projections d'isospin étaient liées à la teneur en quarks up et down des particules par la relation :

où les n sont le nombre de quarks up et down et d'antiquarks.

Dans "l'image de l'isospin", les quatre deltas et les deux nucléons étaient considérés comme les états différents de deux particules. Cependant, dans le modèle des quarks, les deltas sont des états différents des nucléons (les N ++ ou N sont interdits par le principe d'exclusion de Pauli ). L'isospin, bien que véhiculant une image inexacte des choses, est toujours utilisé pour classer les baryons, ce qui conduit à une nomenclature non naturelle et souvent déroutante.

Les nombres quantiques de saveur

On a remarqué que le nombre quantique de saveur étrange S (à ne pas confondre avec le spin) montait et descendait avec la masse des particules. Plus la masse est élevée, plus l'étrangeté est faible (plus il y a de quarks s). Les particules pourraient être décrites avec des projections isospin (liées à la charge) et l'étrangeté (masse) (voir les figures uds octet et decuplet sur la droite). Au fur et à mesure que d'autres quarks ont été découverts, de nouveaux nombres quantiques ont été créés pour avoir une description similaire des octets et décuplets udc et udb. Étant donné que seules les masses u et d sont similaires, cette description de la masse et de la charge des particules en termes d'isospin et de nombres quantiques de saveur ne fonctionne bien que pour l'octet et le décuplet constitués d'un u, d'un d et d'un autre quark, et se décompose pour le d'autres octets et decuplets (par exemple, ucb octet et decuplet). Si les quarks avaient tous la même masse, leur comportement serait appelé symétrique , car ils se comporteraient tous de la même manière à l'interaction forte. Comme les quarks n'ont pas la même masse, ils n'interagissent pas de la même manière (exactement comme un électron placé dans un champ électrique accélérera plus qu'un proton placé dans le même champ à cause de sa masse plus légère), et la symétrie est dite être cassé .

Il a été noté que la charge ( Q ) était liée à la projection isospin ( I 3 ), au nombre de baryons ( B ) et aux nombres quantiques de saveur ( S , C , B ′, T ) par la formule de Gell-Mann-Nishijima :

S , C , B ′ et T représentent respectivement les nombres quantiques d' étrangeté , de charme , de bas et de haut . Ils sont liés au nombre de quarks et antiquarks étranges, charmés, inférieurs et supérieurs selon les relations :

ce qui signifie que la formule de Gell-Mann-Nishijima est équivalente à l'expression de la charge en termes de contenu en quarks :

Spin, moment angulaire orbital et moment angulaire total

Le spin (nombre quantique S ) est une quantité vectorielle qui représente le moment cinétique "intrinsèque" d'une particule. Il vient par incréments de1/2 ħ (prononcé "h-bar"). Le ħ est souvent abandonné car il s'agit de l'unité "fondamentale" du spin, et il est implicite que "spin 1" signifie "spin 1 ħ". Dans certains systèmes d' unités naturelles , est choisi égal à 1, et n'apparaît donc nulle part.

Les quarks sont des particules fermioniques de spin1/2( S  = 1/2). Parce que les projections de spin varient par incréments de 1 (c'est-à-dire 1 ħ), un seul quark a un vecteur de spin de longueur1/2, et a deux projections de spin ( S z  = +1/2et S z  = -1/2). Deux quarks peuvent avoir leurs spins alignés, auquel cas les deux vecteurs de spin s'additionnent pour former un vecteur de longueur S  = 1 et trois projections de spin ( S z  = +1, S z  = 0 et S z  = −1). Si deux quarks ont des spins non alignés, les vecteurs de spin s'additionnent pour former un vecteur de longueur S  = 0 et n'a qu'une seule projection de spin ( S z  = 0), etc. Comme les baryons sont constitués de trois quarks, leurs vecteurs de spin peuvent s'additionner à faire un vecteur de longueur S  = 3/2, qui a quatre projections de spin ( S z  = +3/2, S z  = +1/2, S z  = -1/2Et S z  = -3/2), ou un vecteur de longueur S  = 1/2avec deux projections de spin ( S z  = +1/2Et S z  = -1/2).

Il existe une autre quantité de moment angulaire, appelée moment angulaire orbital ( nombre quantique azimutal L ), qui se présente par incréments de 1 , qui représente le moment angulaire dû aux quarks en orbite les uns autour des autres. Le moment cinétique total ( nombre quantique de moment cinétique total J ) d'une particule est donc la combinaison du moment cinétique intrinsèque (spin) et du moment angulaire orbital. Il peut prendre n'importe quelle valeur parmi J = | LS | à J = | L + S | , par incréments de 1.

Nombres quantiques de moment cinétique de Baryon pour L = 0, 1, 2, 3
Tourner,
S
Moment angulaire orbital
, L
Moment angulaire total
, J
Parité ,
P

Notation condensée , J P
1/2 0 1/2 + 1/2+
1 3/2, 1/2 3/2 ,1/2
2 5/2, 3/2 + 5/2+ ,3/2+
3 7/2, 5/2 7/2 ,5/2
3/2 0 3/2 + 3/2+
1 5/2, 3/2, 1/2 5/2 ,3/2 ,1/2
2 7/2, 5/2, 3/2, 1/2 + 7/2+ ,5/2+ ,3/2+ ,1/2+
3 9/2, 7/2, 5/2, 3/2 9/2 ,7/2 ,5/2 ,3/2

Les physiciens des particules s'intéressent surtout aux baryons sans moment angulaire orbital ( L  = 0), car ils correspondent à des états fondamentaux — des états d'énergie minimale. Par conséquent, les deux groupes de baryons les plus étudiés sont les S  = 1/2; L  = 0 et S  = 3/2; L  = 0, ce qui correspond à J  = 1/2+ et J  = 3/2+ , respectivement, bien qu'ils ne soient pas les seuls. Il est également possible d'obtenir J  = 3/2+ particules de S  = 1/2et L  = 2, ainsi que S  = 3/2et L  = 2. Ce phénomène d'avoir plusieurs particules dans la même configuration de moment angulaire total est appelé dégénérescence . Comment faire la distinction entre ces baryons dégénérés est un domaine de recherche actif en spectroscopie baryonique .

Parité

Si l'univers était reflété dans un miroir, la plupart des lois de la physique seraient identiques – les choses se comporteraient de la même manière, indépendamment de ce que nous appelons « gauche » et de ce que nous appelons « droite ». Cette notion de réflexion miroir est appelée « parité intrinsèque » ou simplement « parité » ( P ). La gravité , la force électromagnétique et l' interaction forte se comportent toutes de la même manière, que l'univers se reflète ou non dans un miroir, et sont donc censées conserver la parité (P-symétrie). Cependant, l' interaction faible distingue « gauche » de « droite », un phénomène appelé violation de parité (P-violation).

Sur cette base, si la fonction d' onde de chaque particule (en termes plus précis, le champ quantique pour chaque type de particule) était simultanément inversée en miroir, alors le nouvel ensemble de fonctions d'onde satisferait parfaitement aux lois de la physique (à part l'interaction faible) . Il s'avère que ce n'est pas tout à fait vrai : pour que les équations soient satisfaites, les fonctions d'onde de certains types de particules doivent être multipliées par -1, en plus d'être inversées en miroir. De tels types de particules sont dits à parité négative ou impaire ( P  = -1, ou alternativement P  = –), tandis que les autres particules sont dites à parité positive ou paire ( P  = +1, ou alternativement P  = +).

Pour les baryons, la parité est liée au moment angulaire orbital par la relation :

En conséquence, les baryons sans moment angulaire orbital ( L  = 0) ont tous une parité paire ( P  = +).

Nomenclature

Les baryons sont classés en groupes selon leurs valeurs d' isospin ( I ) et leur contenu en quarks ( q ). Il existe six groupes de baryons : le nucléon (
N
), Delta (
??
), Lambda (
??
), Sigma (
??
), Xi (
??
) et Oméga (
??
). Les règles de classification sont définies par le Particle Data Group . Ces règles prennent en compte le haut (
vous
), vers le bas (

) et étrange (
s
) les quarks pour être la lumière et le charme (
c
), en bas (
b
) et en haut (
t
) les quarks sont lourds . Les règles couvrent toutes les particules qui peuvent être fabriquées à partir de trois de chacun des six quarks, même si les baryons constitués de quarks top ne devraient pas exister en raison de la courte durée de vie du quark top . Les règles ne couvrent pas les pentaquarks.

  • Baryons avec (toute combinaison de) trois
    vous
    et/ou

    les quarks sont
    N
    s ( je =1/2) ou
    ??
    baryons ( I =3/2).
  • Baryons contenant deux
    vous
    et/ou

    les quarks sont
    ??
    baryons ( I = 0) ou
    ??
    baryons ( I = 1). Si le troisième quark est lourd, son identité est donnée par un indice.
  • Baryons contenant un
    vous
    ou

    quark sont
    ??
    baryons ( I =1/2). Un ou deux indices sont utilisés si un ou les deux quarks restants sont lourds.
  • Baryons ne contenant pas
    vous
    ou

    les quarks sont
    ??
    baryons ( I = 0), et les indices indiquent tout contenu en quarks lourds.
  • Les baryons qui se désintègrent fortement ont leur masse dans leur nom. Par exemple, Σ 0 ne décroît pas fortement, mais Δ ++ (1232) le fait.

C'est également une pratique répandue (mais pas universelle) de suivre quelques règles supplémentaires lors de la distinction entre certains États qui auraient autrement le même symbole.

  • Baryons en moment cinétique total J  = 3/2configuration qui ont les mêmes symboles que leur J  = 1/2 les contreparties sont signalées par un astérisque (*).
  • Deux baryons peuvent être constitués de trois quarks différents dans J  = 1/2configuration. Dans ce cas, un nombre premier ( ′ ) est utilisé pour les distinguer.
    • Exception : Lorsque deux des trois quarks sont un quark up et un quark down, un baryon est surnommé Λ tandis que l'autre est surnommé Σ.

Les quarks portent une charge, donc connaître la charge d'une particule donne indirectement le contenu en quarks. Par exemple, les règles ci-dessus disent qu'un
??+
c
contient le quark ac et une combinaison de deux quarks u et/ou d. Le quark c a une charge de ( Q  = +2/3), donc les deux autres doivent être au quark ( Q  = +2/3) et ad quark ( Q  = −1/3) pour avoir la charge totale correcte ( Q  = +1).

Voir également

Citations

Références générales

Liens externes