Baryon - Définition

Introduction

Les huit baryons de spin 1/2, classés par étrangeté (S) et charge (Q)

Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd » ; il se réfère au fait que les baryons sont en général plus lourds que les autres types de particules.

Caractéristiques

Les dix baryons de spin 3/2, classés par étrangeté (S) et charge (Q)

Les baryons appartiennent à la famille des hadrons, c'est-à-dire qu'ils sont composés de quarks. Les baryons sont composés de trois quarks. En tant qu'hadrons, les baryons sont sensibles à l'interaction forte.

Les baryons sont également des fermions, ils sont donc soumis au principe d'exclusion de Pauli et décrits par la statistique de Fermi-Dirac.

Les baryons ont leurs propres antiparticules, les anti-baryons, qui sont constitués de trois anti-quarks.

Matière baryonique

Le terme « matière baryonique » désigne la matière composée principalement de baryons (en pourcentage de la masse totale). Cela inclut les atomes et donc à peu près la totalité de la matière ordinaire.

À l'inverse, la matière non-baryonique en est l'exacte antithèse, c'est-à-dire la matière qui n'est pas composée de baryons. Dans l'absolu, cela concerne les neutrinos, les photons et les électrons, mais le terme est généralement réservé à la matière « exotique » — et fortement spéculative — comme la matière noire non baryonique, les particules supersymétriques, et les axions et les constituants. La distinction entre matière baryonique et non-baryonique est importante en cosmologie car la matière noire non baryonique se comporte de façon significativement différente de la matière baryonique. En particulier, elle n'interagit pas avec le rayonnement électromagnétique et est, comme son nom l'indique « noire », difficile à détecter expérimentalement.

L'existence même des baryons est un problème classique en cosmologie. Il est généralement supposé que le Big Bang a initialement produit des quantités égales de baryons et d'antibaryons. Le processus qui a conduit les baryons à être légèrement plus nombreux que leurs antiparticules est appelé baryogénèse.

Familles

Les baryons les plus courants sont les nucléons, c'est-à-dire les protons et les neutrons. Mis à part ceux-ci, différentes familles de baryons (Δ, Λ, Σ, Ξ, Ω) ont été observées ; elles se différencient par les types de quarks qui les constituent :

• Les nucléons sont composés d'une combinaison de quarks u et d. Le proton est supposé stable (sa durée de vie est supérieure à 10³³ secondes) . Le neutron a une durée de vie de 886 s.
• Les baryons delta (Δ⁺⁺, Δ⁺, Δ⁰, Δ⁻) sont également composés d'une combinaison de quark u et d et se désintègrent en un pion et un proton ou un neutron.
• Les baryons lambda (Λ⁰, Λ;⁺_c) sont composés d'un quark u, d'un quark d et d'un quark c ou s. La découverte du Λ⁰ fut la première observation expérimentale du quark s.
• Les baryons sigma (Σ⁺, Σ⁰, Σ⁻) sont composés d'un quark s et d'une combinaison de quarks u et d.
• Les baryons xi (Ξ⁰, Ξ⁻) sont composés de deux quarks s et d'un quark u ou d. Ξ⁰, composé d'un quark u et de deux quarks s, se désintègre en un Λ⁰ et un pion neutre, qui lui-même se désintègre rapidement en un électron et un positron ; ces deux particules s'annihilent immédiatement en produisant des rayons gamma.
• Les baryons oméga (Ω⁻, Ω⁰_c) sont composés de deux quarks s et d'un dernier quark qui n'est ni u, ni d. Le baryon Ω⁻ est composé de trois quarks s. Sa découverte fut un succès dans l'étude des quarks, sa masse et ses produits de désintégration ayant été correctement déterminés avant celle-ci.

Les baryons composés d'au moins un quark s sont nommés hypérons.

Les baryons exotiques sont des particules composées de trois quarks et de particules additionnelles (qui peuvent être également des quarks). Les pentaquarks, qui auraient été observés par certaines expériences récentes en physique des particules, en font partie. Ces pentaquarks sont constitués de 4 quarks et d'un antiquark. Par exemple, le Θ(1540)⁺ serait constitué de deux quarks u, de deux quarks d et d'un anti-quark s̄. L'existence des pentaquarks est toujours controversée.

Une expérience récente (avril 2005) du laboratoire Jefferson qui était censée mettre en évidence les pentaquarks n'a rien donné, et semblerait donc remettre en cause leur existence [1].