Barión

Barión
Instancia de tipo de partícula cuántica  Subclase de hadrón fermión matter composed of quarks (en)  Lista do elemento lista de barións
Características  Contén partes da clase 3x quark
Historia  Precedido por mesón  Sucedido por tetraquark
Códigos e identificadores Freebase /m/01gmm OpenAlex C154153549 ChEBI 36339
Fontes e ligazóns  Descrito pola fonte Enciclopedia Soviética Armenia
Wikidata C:Commons

Na física de partículas, un barión é un tipo de partícula composta subatómica que contén un número impar de quarks de valencia, convencionalmente tres. Os protóns e os neutróns son exemplos de barións; como os barións están compostos por quarks, pertencen á familia de partículas dos hadróns. Os barións tamén se clasifican como fermións porque teñen spin semienteiro. O nome «barión», introducido por Abraham Pais, procede da palabra grega para «pesado» (βαρύς, barýs), porque, no momento en que foron nomeados, a maioría das partículas elementais coñecidas tiñan masas menores ca os barións. Cada barión ten unha antipartícula correspondente (antibarión), na que os seus correspondentes antiquarks substitúen os quarks. Por exemplo, un protón está formado por dous quarks arriba e un quark abaixo; e a súa antipartícula correspondente, o antiprotón, está formada por dous antiquarks arriba e un antiquark abaixo.

Os barións participan na forza forte residual, que é mediada por partículas coñecidas como mesóns. Os barións máis coñecidos son os protóns e os neutróns. Estas partículas constitúen a maior parte da masa da materia visible do universo e forman o núcleo de todos os átomos (os electróns, o outro compoñente principal do átomo, pertencen a unha familia diferente de partículas chamada leptón; os leptóns non interactúan mediante a forza forte). Tamén se descubriron e estudaron barións exóticos que conteñen cinco quarks, chamados pentaquarks.

Un censo dos barións do Universo indica que un 10 % deles podería atoparse dentro das galaxias, entre un 50 % e un 60 % no medio circumgaláctico, e o 30 %–40 % restante podería localizarse no medio intergaláctico quente-morno (WHIM).

Antecedentes

Os barións son fermións que interaccionan fortemente; é dicir, están sometidos á forza nuclear forte e descríbense mediante a estatística de Fermi–Dirac, que se aplica a todas as partículas que obedecen o principio de exclusión de Pauli. Isto contrasta cos bosóns, que non obedecen o principio de exclusión.

Os barións, xunto cos mesóns, son hadróns, partículas compostas formadas por quarks. Os quarks teñen número bariónico B = 1/3 e os antiquarks teñen número bariónico B = −1/3. O termo «barión» adoita referirse aos triquarks, é dicir, barións formados por tres quarks (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

Propuxéronse outros barións exóticos, como os pentaquarks —barións formados por catro quarks e un antiquark (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1), pero a súa existencia non foi aceptada de forma xeral. A comunidade da física de partículas no seu conxunto non consideraba probable a súa existencia en 2006, e en 2008 consideraba que as probas estaban maioritariamente en contra da existencia dos pentaquarks comunicados. Porén, en xullo de 2015, o experimento LHCb observou dúas resonancias compatibles con estados de pentaquark na desintegración Λ0
b → J/ψK−
p, cunha significación estatística combinada de 15σ.

En teoría, tamén poderían existir heptaquarks (5 quarks e 2 antiquarks), nonaquarks (6 quarks e 3 antiquarks), etc.

Materia bariónica

Case toda a materia que pode atoparse ou experimentarse na vida cotiá é materia bariónica, que inclúe átomos de calquera tipo e lles proporciona a propiedade da masa. A materia non bariónica, como indica o seu nome, é calquera tipo de materia que non está composta principalmente por barións. Isto pode incluír neutrinos e electróns libres, materia escura, partículas supersimétricas, axións e buratos negros.

A propia existencia dos barións é tamén unha cuestión importante na cosmoloxía, porque se supón que o Big Bang produciu un estado con cantidades iguais de barións e antibarións. O proceso polo cal os barións chegaron a superar en número ás súas antipartículas denomínase barioxénese.

Barioxénese

Artigo principal: Barioxénese.

Os experimentos son compatibles coa conservación do número de quarks do universo xunto co número bariónico total, contando os antibarións como cantidades negativas. Dentro do Modelo Estándar da física de partículas, o número de barións pode cambiar en múltiplos de tres debido á acción dos esfaleróns, aínda que isto é raro e non foi observado experimentalmente. Algunhas grandes teorías unificadas da física de partículas tamén predín que un único protón pode sufrir desintegración, modificando o número bariónico nunha unidade; porén, isto tampouco foi observado experimentalmente. Crese que o exceso de barións sobre antibarións no universo actual débese á non conservación do número bariónico no universo moi temperán, aínda que este fenómeno non se comprende ben.

Propiedades

Isospín e carga

Artigo principal: Isospín.

As combinacións de tres quarks u, d ou s que forman barións con spin 3/2 constitúen o decuplete bariónico uds

As combinacións de tres quarks u, d ou s que forman barións con spin 1/2 constitúen o octete bariónico uds

O concepto de isospín foi proposto por primeira vez por Werner Heisenberg en 1932 para explicar as semellanzas entre protóns e neutróns baixo a interacción forte. Aínda que tiñan cargas eléctricas diferentes, as súas masas eran tan semellantes que os físicos crían que eran a mesma partícula. As diferentes cargas eléctricas explicábanse como o resultado dalgunha excitación descoñecida semellante ao spin. Esta excitación descoñecida foi posteriormente denominada isospín por Eugene Wigner en 1937.

Esta crenza mantívose ata que Murray Gell-Mann propuxo o modelo de quarks en 1964 (que inicialmente contiña só os quarks u, d e s). Actualmente enténdese que o éxito do modelo de isospín é consecuencia das masas semellantes dos quarks u e d. Como os quarks u e d teñen masas parecidas, as partículas formadas polo mesmo número deles tamén teñen masas semellantes. A composición exacta de quarks u e d determina a carga, xa que os quarks u teñen carga +2/3 mentres que os quarks d teñen carga −1/3. Por exemplo, os catro Delta teñen cargas diferentes (
Δ++
(uuu),
Δ+
(uud),
Δ0
(udd),
Δ−
(ddd)), pero teñen masas semellantes (~1.232 MeV/c²) porque todos están formados por unha combinación de tres quarks u ou d. Segundo o modelo de isospín, considerábanse unha única partícula en diferentes estados de carga.

As matemáticas do isospín modeláronse a partir das do spin. As proxeccións de isospín variaban en incrementos de 1, igual que as do spin, e a cada proxección asociábaselle un «estado cargado». Como a «partícula Delta» tiña catro «estados cargados», dicíase que posuía isospín I = 3/2. Os seus «estados cargados»
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
e
Δ−
correspondían ás proxeccións de isospín I₃ = +3/2, I₃ = +1/2, I₃ = −1/2 e I₃ = −3/2, respectivamente. Outro exemplo é a «partícula nucleón». Como existían dous «estados cargados» do nucleón, dicíase que tiña isospín 1/2. O nucleón positivo
N+
(protón) identificábase con I₃ = +1/2 e o nucleón neutro
N0
(neutrón) con I₃ = −1/2. Máis tarde observouse que as proxeccións de isospín estaban relacionadas co contido de quarks arriba e abaixo das partículas mediante a relación:

$I_{\mathrm {3} }={\frac {1}{2}}[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })-(n_{\mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })],$

onde n representa o número de quarks e antiquarks arriba e abaixo.

Na «imaxe do isospín», os catro Delta e os dous nucleóns considerábanse estados diferentes de dúas partículas. Porén, no modelo de quarks, os Delta son estados distintos dos nucleóns (os N⁺⁺ e N⁻ están prohibidos polo principio de exclusión de Pauli). O isospín, aínda que proporciona unha visión inexacta da realidade, segue empregándose para clasificar os barións, o que conduce a unha nomenclatura pouco natural e frecuentemente confusa.

Números cuánticos de sabor

Artigo principal: Flavour (particle physics).

Observouse que o número cuántico de sabor da estrañeza S (que non debe confundirse co spin) variaba xunto coa masa das partículas. Canto maior era a masa, menor era a estrañeza (é dicir, maior era o número de quarks s). As partículas podían describirse mediante as proxeccións de isospín (relacionadas coa carga) e a estrañeza (relacionada coa masa) (véxanse as figuras do octete e do decuplete uds á dereita). A medida que se descubriron outros quarks, definíronse novos números cuánticos para describir de maneira semellante os octetes e decupletes udc e udb. Como só as masas dos quarks u e d son semellantes, esta descrición da masa e da carga das partículas mediante o isospín e os números cuánticos de sabor funciona ben só para os octetes e decupletes compostos por un quark u, un quark d e un terceiro quark, e deixa de ser válida para os demais octetes e decupletes (por exemplo, o octete e o decuplete ucb). Se todos os quarks tivesen a mesma masa, o seu comportamento denominaríase simétrico, xa que todos responderían da mesma maneira á interacción forte. Como os quarks non teñen a mesma masa, non interactúan exactamente da mesma forma (do mesmo xeito que un electrón situado nun campo eléctrico acelera máis ca un protón no mesmo campo debido á súa menor masa), e dise que a simetría está rota.

Observouse que a carga (Q) estaba relacionada coa proxección de isospín (I₃), o número bariónico (B) e os números cuánticos de sabor (S, C, B′, T) mediante a fórmula de Gell-Mann–Nishijima:

$Q=I_{3}+{\frac {1}{2}}\left(B+S+C+B^{\prime }+T\right),$

onde S, C, B′ e T representan, respectivamente, os números cuánticos de sabor de estrañeza, encanto, beleza e verdade. Estes están relacionados co número de quarks e antiquarks estraños, encantados, beleza e verdade segundo as relacións:

${\begin{aligned}S&=-\left(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} }\right),\\C&=+\left(n_{\mathrm {c} }-n_{\mathrm {\bar {c}} }\right),\\B^{\prime }&=-\left(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} }\right),\\T&=+\left(n_{\mathrm {t} }-n_{\mathrm {\bar {t}} }\right),\end{aligned}}$

o que significa que a fórmula de Gell-Mann–Nishijima é equivalente á expresión da carga en función do contido de quarks:

$Q={\frac {2}{3}}\left[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })+(n_{\mathrm {c} }-n_{\mathrm {\bar {c}} })+(n_{\mathrm {t} }-n_{\mathrm {\bar {t}} })\right]-{\frac {1}{3}}\left[(n_{\mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })+(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} })+(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} })\right].$

Spin, momento angular orbital e momento angular total

Artigos principais: Spin (physics), Angular momentum operator, Quantum numbers e Clebsch–Gordan coefficients.

O spin (número cuántico S) é unha magnitude vectorial que representa o momento angular «intrínseco» dunha partícula. Preséntase en incrementos de 1/2 ħ (pronunciado «h barra»). O símbolo ħ adoita omitirse porque é a unidade «fundamental» do spin, e enténdese que «spin 1» significa «spin 1 ħ». Nalgúns sistemas de unidades naturais, escóllese ħ = 1 e, polo tanto, non aparece explicitamente.

Os quarks son partículas fermiónicas con spin 1/2 (S = 1/2). Como as proxeccións do spin varían en incrementos de 1 (é dicir, 1 ħ), un único quark ten un vector de spin de lonxitude 1/2 e dúas proxeccións de spin (S_z = +1/2 e S_z = −1/2). Dous quarks poden ter os seus spins aliñados; nese caso, os dous vectores de spin súmanse para formar un vector de lonxitude S = 1 e tres proxeccións de spin (S_z = +1, S_z = 0 e S_z = −1). Se dous quarks teñen spins non aliñados, os vectores súmanse para formar un vector de lonxitude S = 0 e cunha única proxección de spin (S_z = 0), etc. Como os barións están formados por tres quarks, os seus vectores de spin poden combinarse para producir un vector de lonxitude S = 3/2, que posúe catro proxeccións de spin (S_z = +3/2, S_z = +1/2, S_z = −1/2 e S_z = −3/2), ou un vector de lonxitude S = 1/2 con dúas proxeccións de spin (S_z = +1/2 e S_z = −1/2).

Existe outra magnitude de momento angular, denominada momento angular orbital (número cuántico azimutal L), que aparece en incrementos de 1 ħ e representa o momento angular debido ao movemento orbital dos quarks arredor uns dos outros. O momento angular total (número cuántico de momento angular total J) dunha partícula é, polo tanto, a combinación do momento angular intrínseco (spin) e do momento angular orbital. Pode tomar calquera valor entre J = |L − S| e J = |L + S|, en incrementos de 1.

Números cuánticos do momento angular dos barións para L = 0, 1, 2, 3

Spin, S	Momento angular orbital, L	Momento angular total, J	Paridade, P	Notación abreviada, JP
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−

Os físicos de partículas están especialmente interesados nos barións sen momento angular orbital (L = 0), xa que corresponden aos estados fundamentais, é dicir, estados de enerxía mínima. Por iso, os dous grupos de barións máis estudados son os de S = 1/2; L = 0 e S = 3/2; L = 0, que corresponden respectivamente a J = 1/2⁺ e J = 3/2⁺, aínda que non son os únicos. Tamén é posible obter partículas con J = 3/2⁺ a partir de S = 1/2 e L = 2, así como de S = 3/2 e L = 2. Este fenómeno de ter múltiples partículas coa mesma configuración de momento angular total denomínase dexeneración. A maneira de distinguir entre estes barións dexenerados é unha área activa de investigación dentro da espectroscopia de barións.

Paridade

Artigo principal: Parity (physics).

Se o universo se reflectise nun espello, a maioría das leis da física serían idénticas: as cousas comportaríanse da mesma maneira independentemente do que chamemos «esquerda» ou «dereita». Este concepto de reflexión especular denomínase «paridade intrínseca» ou simplemente «paridade» (P). A gravidade, a forza electromagnética e a interacción forte compórtanse do mesmo xeito tanto se o universo se reflicte nun espello como se non, polo que se di que conservan a paridade (simetría P). Porén, a interacción débil si distingue entre «esquerda» e «dereita», un fenómeno coñecido como violación da paridade (violación P).

Partindo desta idea, se a función de onda de cada partícula (máis precisamente, o campo cuántico correspondente a cada tipo de partícula) se invertese simultaneamente nun espello, o novo conxunto de funcións de onda satisfaría perfectamente as leis da física (agás a interacción débil). Resulta, con todo, que isto non é completamente certo: para que as ecuacións se cumpran, as funcións de onda de certos tipos de partículas deben multiplicarse por −1 ademais de seren reflectidas. Dise que estes tipos de partículas teñen paridade negativa ou impar (P = −1, ou alternativamente P = −), mentres que as demais teñen paridade positiva ou par (P = +1, ou alternativamente P = +).

Para os barións, a paridade está relacionada co momento angular orbital mediante a relación:

$P=(-1)^{L}.$

Como consecuencia, todos os barións sen momento angular orbital (L = 0) teñen paridade par (P = +).

Nomenclatura

Os barións clasifícanse en grupos segundo os seus valores de isospín (I) e o seu contido de quarks (q). Existen seis grupos de barións: nucleón (
N
), Delta (
Δ
), Lambda (
Λ
), Sigma (
Σ
), Xi (
Ξ
) e Omega (
Ω
). As regras de clasificación están definidas polo Particle Data Group. Estas regras consideran os quarks arriba (
u
), abaixo (
d
) e estraño (
s
) como lixeiros, e os quarks encanto (
c
), beleza (
b
) e verdade (
t
) como pesados. As regras cobren todas as partículas que poden formarse a partir de tres quarks de calquera dos seis sabores, aínda que non se espera que existan barións formados por quarks verdade debido á curta vida media do quark verdade. As regras non cobren os pentaquarks.

• Os barións formados por (calquera combinación de) tres quarks
  u
  e/ou
  d
  son nucleóns (I = 1/2) ou barións Delta (I = 3/2).

• Os barións que conteñen dous quarks
  u
  e/ou
  d
  son barións Lambda (I = 0) ou barións Sigma (I = 1). Se o terceiro quark é pesado, a súa identidade indícase mediante un subíndice.

• Os barións que conteñen un único quark
  u
  ou
  d
  son barións Xi (I = 1/2). Empréganse un ou dous subíndices se un ou ambos os quarks restantes son pesados.

• Os barións que non conteñen ningún quark
  u
  nin
  d
  son barións Omega (I = 0), e os subíndices indican calquera contido de quarks pesados.

• Os barións que se desintegran mediante a interacción forte inclúen a súa masa como parte do nome. Por exemplo, Σ⁰ non se desintegra fortemente, pero Δ⁺⁺(1232) si.

Tamén é unha práctica moi estendida (aínda que non universal) seguir algunhas regras adicionais para distinguir entre certos estados que, doutro xeito, terían o mesmo símbolo.

• Os barións cunha configuración de momento angular total J = 3/2 que teñen os mesmos símbolos que os seus equivalentes con J = 1/2 represéntanse cun asterisco ( * ).

• Pódense formar dous barións distintos a partir de tres quarks diferentes nunha configuración J = 1/2. Neste caso emprégase unha prima ( ′ ) para distinguilos.
  • Excepción: cando dous dos tres quarks son un quark arriba e un quark abaixo, un dos barións denomínase Λ e o outro Σ.

Os quarks posúen carga eléctrica, polo que coñecer a carga dunha partícula permite deducir indirectamente o seu contido de quarks. Por exemplo, as regras anteriores indican que unha
Λ+
c contén un quark c e algunha combinación de dous quarks u e/ou d. O quark c ten unha carga (Q = +2/3), polo que os outros dous deben ser un quark u (Q = +2/3) e un quark d (Q = −1/3) para obter a carga total correcta (Q = +1).

Véxase tamén

Outros artigos

• Vía óctuple
• Lista de barións
• Mesón
• Cronoloxía dos descubrimentos de partículas

Bibliografía

• MacQuart, J.-P.; Prochaska, J. X.; McQuinn, M.; Bannister, K. W.; Bhandari, S.; Day, C. K.; Deller, A. T.; Ekers, R. D.; James, C. W.; Marnoch, L.; Osłowski, S.; Phillips, C.; Ryder, S. D.; Scott, D. R.; Shannon, R. M.; Tejos, N. (2020). "Censo dos barións no Universo a partir de ráfagas rápidas de radio localizadas". Nature 581 (7809): 391–395. Bibcode:2020Natur.581..391M. PMID 32461651. arXiv:2005.13161. doi:10.1038/s41586-020-2300-2. 
• Shull, J. Michael; Smith, Britton D.; Danforth, Charles W. (2012). "O censo dos barións nun medio intergaláctico multifásico: o 30% dos barións aínda podería estar desaparecido". The Astrophysical Journal 759 (1): 23. Bibcode:2012ApJ...759...23S. arXiv:1112.2706. doi:10.1088/0004-637X/759/1/23. 
• C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008). "Revisión da física de partículas" (PDF). Physics Letters B 667 (1): 1–1340. Bibcode:2008PhLB..667....1A. PMID 10020536. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl:1854/LU-685594. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 2022-10-09. 
• Garcilazo, H.; Vijande, J.; Valcarce, A. (2007). "Estudo de Faddeev da espectroscopia de barións pesados". Journal of Physics G 34 (5): 961–976. Bibcode:2007hep.ph....3257G. arXiv:hep-ph/0703257. doi:10.1088/0954-3899/34/5/014. 
• Carter, K. (2006). "O ascenso e caída do pentaquark". Fermilab e SLAC. Arquivado dende o orixinal o 2007-07-08. Consultado o 2008-05-27. 
• W.-M. Yao et al. (Particle Data Group) (2006). "Revisión da física de partículas". Journal of Physics G 33 (1): 1–1232. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. 
• Manley, D.M. (2005). "Estado da espectroscopia de barións". Journal of Physics: Conference Series 5 (1): 230–237. Bibcode:2005JPhCS...9..230M. doi:10.1088/1742-6596/9/1/043. 
• Muir, H. (2003). "O descubrimento do pentaquark desconcerta os escépticos". New Scientist. Consultado o 2008-05-27. 
• Wong, S.S.M. (1998a). "Capítulo 2 – Estrutura do nucleón". Introdución á física nuclear (2nd ed.). New York (NY): John Wiley & Sons. pp. 21–56. ISBN 978-0-471-23973-4. 
• Wong, S.S.M. (1998b). "Capítulo 3 – O deuterón". Introdución á física nuclear (2nd ed.). New York (NY): John Wiley & Sons. pp. 57–104. ISBN 978-0-471-23973-4. 
• Shankar, R. (1994). Principios da mecánica cuántica (2nd ed.). New York (NY): Plenum Press. ISBN 978-0-306-44790-7. 
• Wigner, E. (1937). "Sobre as consecuencias da simetría do hamiltoniano nuclear na espectroscopia dos núcleos". Physical Review 51 (2): 106–119. Bibcode:1937PhRv...51..106W. doi:10.1103/PhysRev.51.106. 
• Gell-Mann, M. (1964). "Un modelo esquemático de barións e mesóns". Physics Letters 8 (3): 214–215. Bibcode:1964PhL.....8..214G. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3. 
• Pais, A. (1953). "Sobre o sistema barión-mesón-fotón". Progress of Theoretical Physics 10 (4): 457–469. Bibcode:1953PThPh..10..457P. doi:10.1143/PTP.10.457. 
• Heisenberg, W. (1932a). "Sobre a estrutura dos núcleos atómicos I". Zeitschrift für Physik (en alemán) 77 (1–2): 1–11. Bibcode:1932ZPhy...77....1H. doi:10.1007/BF01342433. 
• Heisenberg, W. (1932b). "Sobre a estrutura dos núcleos atómicos II". Zeitschrift für Physik (en alemán) 78 (3–4): 156–164. Bibcode:1932ZPhy...78..156H. doi:10.1007/BF01337585. 
• Heisenberg, W. (1932c). "Sobre a estrutura dos núcleos atómicos III". Zeitschrift für Physik (en alemán) 80 (9–10): 587–596. Bibcode:1933ZPhy...80..587H. doi:10.1007/BF01335696. 

Ligazóns externas

• Particle Data Group—Revisión da física de partículas (2018).
• Georgia State University—HyperPhysics