En la física de partículas , una de hadrones / h æ d r ɒ n / ( escuchar ) ( griego : ἁδρός , hadrós; "Stout, gruesas") es una subatómica partícula de material compuesto hecho de dos o más quarks se mantienen unidos por la fuerte fuerza en una de manera similar a como las moléculas se mantienen unidas por la fuerza electromagnética . La mayor parte de la masa de la materia ordinaria proviene de dos hadrones: el protón y el neutrón .
Los hadrones se clasifican en dos familias: bariones , hechos de un número impar de quarks , generalmente tres quarks, y mesones , hechos de un número par de quarks, generalmente un quark y un antiquark . [1] Los protones y neutrones (que constituyen la mayor parte de la masa de un átomo ) son ejemplos de bariones; Los piones son un ejemplo de mesón. En los últimos años se han descubierto hadrones "exóticos" , que contienen más de tres quarks de valencia. Un estado tetraquark (un mesón exótico ), llamado Z (4430) - , fue descubierto en 2007 por Belle Collaboration [2] y confirmado como resonancia en 2014 por la colaboración LHCb . [3] Dos estados de pentaquark ( bariones exóticos ), llamados P+
c(4380) y P+
c(4450) , fueron descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb . [4] Hay varios candidatos de hadrones más exóticos y otras combinaciones de quarks singlete de color 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 (descomponen) en otras partículas. La única excepción conocida se relaciona con los protones libres, que posiblemente son estables , o al menos, tardan una inmensa cantidad de tiempo en descomponerse (del orden de 10 34+ años). Los neutrones libres son inestables y se desintegran con una vida media de aproximadamente 611 segundos. Se espera que sus respectivas antipartículas sigan el mismo patrón, pero son difíciles de capturar y estudiar, porque se aniquilan inmediatamente al entrar en contacto con la materia ordinaria. Los protones y neutrones "ligados", contenidos dentro de un núcleo atómico , generalmente se consideran estables. Experimentalmente, la física de los hadrones se estudia colisionando protones o núcleos de elementos pesados como el plomo o el oro, y detectando los escombros en las lluvias de partículas producidas. En el medio natural, los mesones como los piones son producidos por las colisiones de los rayos cósmicos con la atmósfera.
Etimología
El término "hadrón" fue introducido por Lev B. Okun en una charla plenaria en la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías de 1962 . [5] En esta charla dijo:
A pesar del hecho de que este informe trata de interacciones débiles, con frecuencia tendremos que hablar de partículas que interactúan fuertemente. Estas partículas plantean no solo numerosos problemas científicos, sino también un problema terminológico. El punto es que "partículas que interactúan fuertemente" es un término muy torpe que no se rinde a la formación de un adjetivo. Por esta razón, para tomar un solo 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 las desintegraciones correspondientes "hadrónicas" (el griego ἁδρός significa "grande", "masivo", en contraste con λεπτός que significa "pequeño", "ligero"). Espero que esta terminología resulte conveniente.
Propiedades
Según el modelo de quarks , [6] 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 down (con carga eléctrica - 1 ⁄ 3 ). Al sumarlos, se obtiene 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". Las formas más sencillas de que esto suceda son con un quark de un color y un antiquark del correspondiente anticolor, o tres quarks de diferentes colores. Los hadrones con la primera disposición son un tipo de mesón , y aquellos con la segunda disposición son un tipo de barión .
Los gluones virtuales sin masa componen la mayoría numérica de partículas dentro de los hadrones. La fuerza de los gluones de fuerza fuerte que unen los quarks tiene suficiente energía ( E ) para tener resonancias compuestas de quarks masivos ( m ) ( E> mc 2 ). 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 (cuantos), 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 dice que un hadrón o anti-hadrón consta de (típicamente) 2 o 3 quarks, esto 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 PC ( m ), donde J es el número cuántico de espín , P la paridad intrínseca (o P-paridad ), C la conjugación de carga (o Paridad C ) y m 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 conservado aditivo 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 de estado fundamental puede tener varios estados excitados; Se han observado varios cientos de resonancias en experimentos. Las resonancias decaen extremadamente rápido (en aproximadamente 10-24 segundos ) a través de la fuerte fuerza nuclear.
En otras fases de la materia, los hadrones pueden desaparecer. Por ejemplo, a muy alta temperatura y alta presión, a menos que haya suficientes sabores de quarks, la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) predice que los quarks y 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 , ha sido confirmada experimentalmente en el rango de energía entre 1 GeV (gigaelectronvoltio) y 1 TeV (teraelectronvoltio). [7]
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). [1] La mayoría de los bariones 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 un número de bariones B = 1. Los pentaquarks también tienen B = 1, ya que los números de bariones extra de quark y antiquark se cancelan.
Cada tipo de barión tiene una antipartícula correspondiente (antibarión) en la que los quarks son reemplazados por sus correspondientes antiquarks. Por ejemplo, así como un protón está hecho de dos quarks arriba y un quark abajo, su antipartícula correspondiente, el antiprotón, está hecho de dos antiquarks arriba y un antiquark abajo.
En agosto de 2015, hay dos pentaquarks conocidos, P+
c(4380) y P+
c(4450) , ambos descubiertos en 2015 por la colaboración LHCb . [4]
Mesones
Los mesones son hadrones que contienen un número par de quarks de valencia (al menos 2). [1] La mayoría de los mesones conocidos están compuestos por un par quark-antiquark, pero es posible que se hayan descubierto posibles tetraquarks (4 quarks) y hexaquarks (6 quarks, que comprenden un dibaryon o tres pares de quark-antiquark) y se están investigando para confirmar su naturaleza. [8] Pueden existir varios otros tipos hipotéticos de mesones exóticos que no caen dentro del modelo de clasificación de los 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 de bariones B = 1 ⁄ 3 - 1 ⁄ 3 = 0. Ejemplos de mesones comúnmente producidos en experimentos de física de partículas incluyen piones y kaones . Los piones también juegan un papel en mantenerunidos los núcleos atómicos a través de la fuerza fuerte residual .
Ver también
- Hadrón exótico
- Terapia de hadrones, también conocida como terapia de partículas
- Hadronización , la formación de hadrones a partir de quarks y gluones.
- Gran Colisionador de Hadrones (LHC)
- Lista de partículas
- Modelo estandar
- Partículas subatómicas
Referencias
- ↑ a b c Gell-Mann, M. (1964). "Un modelo esquemático de bariones y mesones". Letras de física . 8 (3): 214–215. Código bibliográfico : 1964PhL ..... 8..214G . doi : 10.1016 / S0031-9163 (64) 92001-3 .
- ^ Choi, S.-K .; Colaboración Belle ; et al. (2008). "Observación de una estructura similar a una resonancia en el
π±
Ψ ′ distribución de masa en exclusiva B → K
π±
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- ^ a b R. Aaij; et al. ( Colaboración LHCb ) (2015). "Observación de resonancias J / ψp consistentes con estados de pentaquark en Λ0
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- ^ C. Amsler y col. ( Grupo de datos de partículas ) (2008). "Revisión de la física de partículas - modelo de Quark" (PDF) . Physics Letters B . 667 (1): 1–6. Código Bibliográfico : 2008PhLB..667 .... 1A . doi : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
- ^ S. Bethke (2007). "Pruebas experimentales de libertad asintótica". Progresos en Física de Partículas y Nuclear . 58 (2): 351–386. arXiv : hep-ex / 0606035 . Código Bibliográfico : 2007PrPNP..58..351B . doi : 10.1016 / j.ppnp.2006.06.001 . S2CID 14915298 .
- ^ Misteriosa partícula subatómica puede representar una nueva forma exótica de materia
enlaces externos
- La definición del diccionario de hadrón en Wikcionario