Hadrons - Hadron

Comment les hadrons s'intègrent aux deux autres classes de particules subatomiques , les bosons et les fermions

Dans la physique des particules , un hadrons / h æ d r ɒ n / ( écouter )A propos de ce son ( grec ancien : ἁδρός , Romanizedhadrós ; « solides, épais ») est une particule composite subatomique constitué de deux ou plusieurs quarks maintenus ensemble par la forte interaction . Ils sont analogues à des molécules maintenues ensemble par la force électrique . La majeure partie de la masse de la matière ordinaire provient de deux hadrons : le proton et leneutron , tandis que la majeure partie de la masse des protons et des neutrons est à son tour due à l'énergie de liaison de leurs quarks constitutifs, due à la force forte.

Les hadrons sont classés en deux grandes familles : les baryons , constitués d'un nombre impair de quarks (généralement trois quarks) et les mésons , constitués d'un nombre pair de quarks (généralement deux quarks : un quark et un antiquark ). Les protons et les neutrons (qui constituent la majorité de la masse d'un atome ) sont des exemples de baryons ; les pions sont un exemple de méson. Des hadrons "exotiques" , contenant plus de trois quarks de valence, ont été découverts ces dernières années. Un état tétraquark (un méson exotique ), nommé le Z(4430) , a été découvert en 2007 par la Collaboration Belle et confirmé comme résonance en 2014 par la collaboration LHCb . Deux états du pentaquark ( baryons exotiques ), nommés P+
c
(4380)
et P+
c
(4450)
, ont été découverts en 2015 par la collaboration LHCb . Il existe plusieurs autres hadrons candidats exotiques et d'autres combinaisons de quarks singuliers de couleur peuvent également exister.

On pense que presque tous les hadrons et antihadrons « libres » (c'est-à-dire isolés et non liés dans un noyau atomique ) sont instables et finissent par se désintégrer (se décomposer) en d'autres particules. La seule exception connue (possible) sont les protons libres, qui semblent être stables , ou du moins, prennent énormément de temps à se désintégrer (de l'ordre de 10 34+  ans). À titre de comparaison, les neutrons libres sont la particule instable à la durée de vie la plus longue et se désintègrent avec une demi-vie d'environ 611 secondes. Les protons et neutrons "liés", contenus dans un noyau atomique , sont généralement considérés comme stables. Expérimentalement, la physique des hadrons est étudiée en entrant en collision des protons ou des noyaux d'éléments denses et lourds tels que le plomb ou l'or, et en détectant les débris dans les gerbes de particules produites. Le même processus se produit dans l'environnement naturel, dans l'extrême haute atmosphère, où les mésons tels que les pions et les muons - des leptons qui semblent naïvement presque identiques - sont produits par les collisions de rayons cosmiques avec des particules de gaz raréfié dans l'atmosphère extérieure.

Terminologie et étymologie

Le terme « hadron » est un nouveau mot grec introduit par LB Okun et lors d'une conférence plénière lors de la Conférence internationale de 1962 sur la physique des hautes énergies au CERN . Il a ouvert son discours par la définition d'un nouveau terme de catégorie :

Nonobstant le fait que ce rapport traite d'interactions faibles, nous aurons fréquemment à parler de particules en interaction forte. Ces particules posent non seulement de nombreux problèmes scientifiques, mais aussi un problème terminologique. Le fait est que « particules en interaction forte » est un terme très maladroit qui ne se prête pas à la formation d'un adjectif. Pour cette raison, pour ne prendre qu'un exemple, les désintégrations en particules fortement interactives sont appelées « non leptoniques ». Cette définition n'est pas exacte car « non leptonique » peut aussi signifier photonique. Dans ce rapport, j'appellerai les particules en interaction forte "hadrons", et les désintégrations correspondantes "hadroniques" (le grec ἁδρός signifie "grand", "massif", contrairement à λεπτός qui signifie "petit", "léger"). J'espère que cette terminologie s'avérera pratique. — LB Okun (1962)

Propriétés

Une flèche verte et une flèche magenta ("antivert") s'annulant en blanc, représentant un méson ;  une flèche rouge, une verte et une bleue s'annulant en blanc, représentant un baryon ;  un jaune ("antibleu"), un magenta et une flèche cyan ("antirouge") s'annulant en blanc, représentant un antibaryon.
Tous les types de hadrons ont une charge de couleur totale nulle (trois exemples illustrés)

Selon le modèle des quarks , les propriétés des hadrons sont principalement déterminées par leurs quarks dits de valence . Par exemple, un proton est composé de deux quarks up (chacun avec une charge électrique ++23 , pour un total de + 43 ensemble) et un quark down (avec charge électrique+Une / trois ). En les additionnant, on obtient la charge protonique de +1. Bien que les quarks portent également une charge de couleur , les hadrons doivent avoir une charge de couleur totale nulle en raison d'un phénomène appelé confinement de la couleur . C'est-à-dire que les hadrons doivent être "incolores" ou "blancs". Les moyens les plus simples pour que cela se produise sont avec un quark d'une couleur et un antiquark de l'anticouleur correspondante, ou trois quarks de couleurs différentes. Les hadrons avec le premier arrangement sont un type de méson , et ceux avec le second arrangement sont un type de baryon .

Les gluons virtuels sans masse composent l'écrasante majorité des particules à l'intérieur des hadrons, ainsi que les principaux constituants de sa masse (à l'exception du charme lourd et des quarks bottom ; le quark top disparaît avant qu'il n'ait le temps de se lier à un hadron). La force des forces fortes gluons qui lient les quarks ensemble possède une énergie suffisante ( E ) pour avoir des résonances composées de massif ( m ) quarks ( Emc 2 ). L'un des résultats est que des paires éphémères de quarks et d'antiquarks virtuels se forment et disparaissent continuellement à l'intérieur d'un hadron. Comme les quarks virtuels ne sont pas des paquets d'ondes stables (quanta), mais un phénomène irrégulier et transitoire, il n'est pas utile de se demander quel quark est réel et lequel virtuel ; seul le petit excès est apparent de l'extérieur sous la forme d'un hadron. Par conséquent, lorsqu'un hadron ou un anti-hadron est composé de (typiquement) 2 ou 3 quarks, cela fait techniquement référence à l'excès constant de quarks par rapport aux antiquarks.

Comme toutes les particules subatomiques , les hadrons se voient attribuer des nombres quantiques correspondant aux représentations du groupe de Poincaré : J PC ( m ), où J est le nombre quantique de spin , P la parité intrinsèque (ou P-parité ), C la conjugaison de charges (ou C-parité ), et m est la masse de la particule . Notez que la masse d'un hadron a très peu à voir avec la masse de ses quarks de valence ; plutôt, en raison de l'équivalence masse-énergie , la majeure partie de la masse provient de la grande quantité d'énergie associée à l' interaction forte . Les hadrons peuvent également porter des nombres quantiques de saveur tels que l' isospin ( parité G ) et l' étrangeté . Tous les quarks portent un nombre quantique additif conservé appelé nombre baryonique ( B ), qui est ++13 pour les quarks et+13 pour les antiquarks. Cela signifie que les baryons (particules composites constituées de trois, cinq ou un nombre impair supérieur de quarks) ont B  = 1 alors que les mésons ont B  = 0.

Les hadrons ont des états excités appelés résonances . Chaque hadron à l' état fondamental peut avoir plusieurs états excités ; plusieurs centaines de résonances ont été observées expérimentalement. Les résonances se désintègrent extrêmement rapidement (en 10 -24  secondes environ ) via la force nucléaire puissante.

Dans d'autres phases de la matière, les hadrons peuvent disparaître. Par exemple, à très haute température et haute pression, à moins qu'il n'y ait suffisamment de saveurs de quarks, la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) prédit que les quarks et les gluons ne seront plus confinés dans les hadrons, "car la force de l'interaction forte diminue avec de l'énergie ". Cette propriété, connue sous le nom de liberté asymptotique , a été confirmée expérimentalement dans la gamme d'énergie comprise entre 1  GeV (gigaélectronvolt) et 1  TeV (teraélectronvolt). Tous les hadrons libres à l' exception ( éventuellement ) du proton et de l'antiproton sont instables .

Baryons

Les baryons sont des hadrons contenant un nombre impair de quarks de valence (au moins 3). La plupart des baryons connus tels que le proton et le neutron ont trois quarks de valence, mais il a également été prouvé qu'il existe des pentaquarks avec cinq quarks – trois quarks de couleurs différentes, ainsi qu'une paire quark-antiquark supplémentaire. Parce que les baryons ont un nombre impair de quarks, ils sont aussi tous des fermions , c'est -à- dire qu'ils ont un spin demi-entier . Comme quarks possèdent nombre baryonique B  =  1 / 3 , baryons ont un nombre baryonique B  = 1. pentaquarks aussi ont B  = 1, puisque les numéros quark EXTRAS et baryon de antiquark annuler.

Chaque type de baryon a une antiparticule correspondante (antibaryon) dans laquelle les quarks sont remplacés par leurs antiquarks correspondants. Par exemple, tout comme un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down, son antiparticule correspondante, l'antiproton, est composée de deux antiquarks up et d'un antiquark down.

En août 2015, il y avait deux pentaquarks connus, P+
c
(4380)
et P+
c
(4450)
, tous deux découverts en 2015 par la collaboration LHCb .

Mésons

Les mésons sont des hadrons contenant un nombre pair de quarks de valence (au moins 2). La plupart des mésons connus sont composés d'une paire quark-antiquark, mais d'éventuels tétraquarks (4 quarks) et hexaquarks (6 quarks, comprenant soit un dibaryon, soit trois paires quark-antiquark) ont peut-être été découverts et font l'objet d'études pour confirmer leur nature. Plusieurs autres types hypothétiques de mésons exotiques peuvent exister qui ne relèvent pas du modèle de classification des quarks. Ceux-ci incluent les boules de colle et les mésons hybrides (mésons liés par des gluons excités ).

Comme les mésons ont un nombre pair de quarks, ils sont aussi tous des bosons , avec un spin entier , c'est -à- dire 0, +1 ou -1. Ils ont nombre baryonique B  =  une / trois - 1 / 3  = 0. Des exemples de mésons couramment produits dans des expériences de physique des particules comprennent des pions et kaons . Les pions jouent également un rôle dans le maintien des noyaux atomiques ensemble via la force résiduelle forte .

Voir également

Notes de bas de page

Les références

Liens externes

  • La définition du dictionnaire de hadron au Wiktionnaire