Hadrón para niños

Hadrones del Modelo Estándar y hadrones exóticos.

Un hadrón (del griego ἁδρός, hadrós, "denso" o "fuerte") es una partícula subatómica formada por quarks que permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte entre ellos. Antes de la postulación del modelo de quarks se definía a los hadrones como aquellas partículas que eran sensibles a la interacción fuerte.

Como todas las partículas subatómicas, los hadrones tienen números cuánticos correspondientes a las representaciones del grupo de Poincaré: JPC(m), donde J es el espín, P la paridad, C la paridad C, y m la masa. Además, pueden llevar números cuánticos de sabor como el isoespín, extrañeza, etc.

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 en otras partículas. La única posible excepción conocida son los protones libres, los cuales parecen ser estables, o al menos, tardan mucho tiempo en desintegrarse (del orden de 10³⁴⁺ años). A modo de comparación, los neutrones libres son la partícula inestable de vida más larga y se desintegran con una vida media de aproximadamente 879 segundos. Experimentalmente, la física de hadrones se estudia mediante la colisión de protones o núcleos de elementos densos y pesados como el plomo o el oro, y la detección de escombros en las lluvias de partículas producidas. El proceso idéntico ocurre en el entorno natural, en la atmósfera superior extrema, donde los muones y los mesones como los piones son producidos por las colisiones de los rayos cósmicos con partículas de gas enrarecido en la atmósfera exterior.

Etimología

El término "hadrón" fue introducido por Lev B. Okun en una asamblea en la International Conference on High Energy Physics de 1962. En esta asamblea dijo:

A pesar de que este informe trata de las interacciones débiles, con frecuencia tendremos que hablar de partículas que interactúan fuertemente. Estas partículas plantean no solo numerosos problemas científicos, sino también terminológicos. El punto es que "partículas que interactúan fuertemente" es un término muy torpe que no se somete a la formación de un adjetivo. Por esta razón, para tomar solo un ejemplo, las desintegraciones en partículas que interactúan fuertemente se llaman no-leptónicas. Esta definición no es exacta porque "no leptónico" también puede significar "fotónico". En este informe llamaré a las partículas que interactúan fuertemente "hadrones", y las correspondientes desintegraciones "hadrónicas" (el griego ἁδρός significa "grande", "masivo", en contraste con λεπτός que significa "pequeño", "ligero"). Espero que esta terminología resulte conveniente.

Tipos de hadrones

Bariones y mesones ordinarios

Tanto el modelo de quarks, como la evidencia empírica sugieren que los hadrones son partículas compuestas por quarks y/o antiquarks. Hay dos tipos de hadrones (sin contar los casos "exóticos"):

• Los bariones están compuestos por tres quarks con cargas de color diferente, se dice que su carga de color global es "neutra" o "blanca", al tener las tres cargas de color compensadas entre sí. Los neutrones y protones también llamados conjuntamente nucleones son ejemplos de bariones. Los bariones aislados se comportan como fermiones.

Estas partículas tienen un número bariónico (B) diferente de cero, que es igual a +1 para los nucleones e igual a -1 para sus antipartículas.

• Los mesones están formados por un quark y un antiquark. Los piones son ejemplos de mesones, su presencia ha sido usada para explicar cómo permanecen unidos neutrones y protones en el núcleo atómico. Los mesones se comportan como bosones. Su número bariónico satisface B = 0.

La mayor parte de los hadrones se han podido clasificar adecuadamente por el modelo de quarks, que postula que todos los números cuánticos de los bariones se derivan de aquellos de los quarks de valencia. Para un barión estos son tres quarks, y para un mesón estos son un par quark-antiquark.

Cada quark es entonces un fermión con B = 1/3. Los estados excitados bariónicos o mesónicos son conocidos como resonancias. Cada estado fundamental hadrónico puede tener muchos estados excitados, y cientos han sido observados en experimentos con partículas. Las resonancias decaen extremadamente rápido (aproximadamente en 10⁻²⁴ s) por las interacciones fuertes.

Bariones y mesones exóticos

Los mesones que se encuentran fuera de la clasificación según el modelo de quarks se denominan mesones exóticos. Estos incluyen bolas de gluones, mesones híbridos y tetraquarks. Los únicos bariones que están fuera del modelo de quarks a la fecha son los pentaquarks, pero la evidencia de su existencia no ha sido esclarecida aún. Recientemente se ha demostrado la existencia del hadrón Z(4430), con un nivel de confianza de sigma 13.9.

Resonancias

Las resonancias son partículas masivas de muy corta existencia, se desintegran muy rápidamente en partículas más ligeras. Desde la aparición del modelo de quarks se las interpreta como estados excitados con una energía superior a la del estado fundamental, de sistemas ligados de quarks. Por tanto las resonancias no serían estrictamente estructuras diferentes, aunque inicialmente fueron interpretadas así por tener una masa diferente a la del estado fundamental (la discrepancia de masa tiene que ver con la relación E = mc²).

Estructura interna y QCD

Todos los hadrones son sistemas de quarks ligados mediante interacción fuerte, la teoría estándar que da cuenta de esta interacción fuerte es la cromodinámica cuántica (en inglés quantum chromodynamics o QCD). Esta teoría postula diversos tipos de quarks que interaccionan entre sí mediante un campo gluónico. Dicho campo está formado por bosones denominados gluones. Debido a una propiedad importante de la teoría llamada confinamiento, los quarks con energías por debajo de la escala QCD experimentan este confinamiento, que impiden observar quarks libres a bajas energías, por lo que usualmente aparecen en forma de hadrones. Otra propiedad interesante de la teoría es que estos sistemas ligados de quarks o hadrones que son compuestos, y no llevan carga de color: si están formados por 3 quarks uno es "rojo", otro es "verde" y otro "azul" (de tal manera que se dicen que son "blancos"). En los mesones si el quark es de un "color" y anti-quark tienen el "anticolor" correspondiente. Así que globalmente no predomina ningún "color" que es una de las consecuencias del confinamiento.

En otras fases de materia QCD los hadrones pueden desaparecer. Por ejemplo, a temperatura y presión muy altas, a menos que haya suficiente cantidad de sabores muy masivos de quarks, la teoría QCD predice que los quarks y gluones van a interactuar débilmente y ya no estarán confinados. Esta propiedad, que se conoce como libertad asintótica, ha sido experimentalmente confirmada a las escalas de energía de entre un GeV y un TeV. Pero esta teoría pronto se pondrá a prueba ya que el 10 de septiembre de 2008 se puso en funcionamiento un acelerador de partículas o hadrones (el LHC, gran colisionador de hadrones, por sus iniciales en inglés), que mide 27 km de circunferencia, situado en el límite entre Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, y ha costado 3.700 millones de Euros (unos 6000 millones de dólares según algunas fuentes).

Véase también

En inglés: Hadron Facts for Kids

• Gran colisionador de hadrones (LHC)
• Partícula subatómica
• Lista de partículas
• Cromodinámica cuántica
• Modelo de quarks
• Estrella de quarks
• Hadrón exótico