Hadrón

En física de partículas, un hadrón es una partícula subatómica que experimenta la fuerza nuclear (Ver Interacción nuclear fuerte). Estas no son partículas fundamentales, y están compuestas de: fermiones llamados quarks y antiquarks, y de bosones llamados gluones. Los gluones actúan de intermediarios para la fuerza de color que une a los quarks entre si.

Un hadrón es una partícula subatómica compuesta. Cada hadrón debe pertenecer a una de las dos clases fundamentales de partículas: bosónes y fermiónes.

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 (o paridad G), extrañeza, etc. Los hadrones se pueden subidividir en dos clases:

• Los bariones son fermiones. Siempre llevan un número cuántico conservado llamado número bariónico (B). B = 1 para los nucleones (el protón y el neutrón), que forman parte del núcleo atómico.

• Los mesones son bosones con B = 0.

La mayor parte de los hadrones pueden ser clasificados 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.

Propiedades

Según el modelo de quarks,​ las propiedades de los hadrones están determinadas principalmente por sus llamados quark de valencia. Por ejemplo, un protón está compuesto por dos quark de valencias (cada uno con carga eléctrica + 2⁄3, para un total de +4⁄3 juntos) y un quark down (con carga eléctrica - 1⁄3). La suma de todas ellas da como resultado la carga +1 del protón. Aunque los cuarks también llevan carga de color, los hadrones deben tener 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 ocurra son con un cuark 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 los que tienen la segunda disposición son un tipo de barión.

Los gluones virtuales sin masa componen la inmensa mayoría de las partículas del interior de los hadrones, así como los principales constituyentes de su masa (con la excepción del charm pesado y los quark bottoms; el quark top desaparece antes de tener tiempo de unirse a un hadrón). La intensidad de la fuerza fuerte gluons que une a los quarks tiene suficiente energía (E) para tener resonancias compuestas de quarks masivos (m) (E ≥ mc2). Uno de los resultados es que los pares de corta vida de virtual quarks y antiquarks se forman y desaparecen continuamente dentro de un hadrón. Dado que los quarks virtuales no son paquetes de ondas estables (cuantos), sino un fenómeno irregular y transitorio, no tiene sentido preguntarse 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 está formado por (típicamente) 2 o 3 quarks, esto se refiere técnicamente al exceso constante de quarks frente a antiquarks

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.

Los mesones que se encuentran fuera de la clasificación según el modelo de quarks se denominan mesones exóticos. Estos incluyen glueballs (bolas de pegamento), 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 es poco clara desde 2005.

Todos los hadrones son excitaciones de una partícula de la teoría básica de la interacción fuerte, llamada cromodinámica cuántica. Debido a una propiedad llamada confinamiento que esta teoría experimenta a energías por debajo de la escala QCD, estas excitaciones no son quarks y gluones, que son los campos básicos, sino los hadrones que son compuestos, y no llevan carga de color.

En otras fases de materia QCD los hadrones pueden desaparecer. Por ejemplo, a temperatura y presión muy bajas, 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.

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