• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Modèle standard des particules
Hadrons : baryons (fermions)

Sommaire
  1. Mécanique quantique
  2. Modèle standard des particules
    1. Vue d'ensemble
      1. Statistique de Fermi-Dirac
      2. Principe d'exclusion de Pauli
      3. Statistique de Bose-Einstein
      4. Antiparticules
        1. Annihilation particules/antiparticules
        2. Asymétrie baryonique de l'univers
          1. Vue d'ensemble
          2. Baryogenèse
    2. Atome
      1. Noyau
        1. Nucléons
          1. Neutron
          2. Proton
          3. Nombre de nucléons et tableau périodique
          4. Forces intervenant dans le noyau
        2. Structure nucléaire
          1. Modèle de la goutte liquide
            1. Vue d'ensemble
            2. Nombres magiques et vallée de la stabilité
          2. Modèle en couches
          3. Modèle du champ moyen
      2. Électrons
        1. Propriétés des électrons
        2. Orbitales et spin-orbitales
        3. Ionisation et ions
    3. Fermions
      1. Vue d'ensemble
      2. Quarks
        1. Vue d'ensemble
        2. Propriétés des quarks
        3. Saveurs des quarks
      3. Hadrons
        1. Baryons
          1. Vue d'ensemble
          2. Nombre baryonique
          3. Classification des baryons
            1. Baryons stables : nucléons
            2. Baryons instables
              1. Baryons Delta
              2. Baryons Lambda
              3. Baryons Sigma
              4. Baryons Xi
              5. Baryons Oméga
        2. Mésons
          1. Vue d'ensemble des mésons
          2. Propriétés des mésons
          3. Classification et liste des mésons
            1. Kaons
            2. Pions
      4. Leptons
        1. Vue d'ensemble
        2. Nombres leptoniques
        3. Propriétés des leptons
    4. Bosons
      1. Vue d'ensemble
      2. Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte
        1. Propriétés des gluons
        2. Échanges de gluons
        3. Autres formes de gluons
      3. Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique
        1. Propriétés des photons
        2. Émission et absorpton de photons
        3. Particules et vitesse de la lumière
      4. Bosons W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible
      5. Boson de Higgs
        1. Mécanisme de Higgs
        2. Propriétés du boson de Higgs
    5. Réactions nucléaires
      1. Fusion
      2. Fission
      3. Radioactivité
      4. Photodesintegration
      5. Spallation
      6. Multifragmentation
    6. Rayonnements et interactions avec la matière
      1. Diffusion (ou choc)
      2. Rayonnements ionisants
      3. Interactions des rayonnements avec la matière
        1. interactions de photons avec la matière
        2. interactions des particules massives
  3. Interactions ou forces fondamentales
    1. Vue d'ensemble
      1. Interaction nucléaire forte
      2. Interaction électromagnétique
      3. Interaction faible
      4. Gravitation
    2. Comment expliquer que les soient portées par des particules ?
      1. Que se passe-il en mécanique quantique ?
      2. Paramètres libres
        1. Constantes de couplages
        2. Autres paramètres libres
    3. Chromodynamique quantique (QCD)
      1. Charges de couleur
        1. Couleurs des quarks
        2. Couleurs des gluons
        3. Changements de couleurs
      2. Isospin (fort ou spin isobarique)
    4. Électrodynamique quantique (QED)
      1. Vue d'ensemble
      2. Diagramme de Feynmann
    5. Interaction faible
      1. Propriétés de l'interaction faible
      2. Isospin faible
    6. Interaction électrofaible
    7. Gravitation
  4. Modèle de l'univers : Big Bang

Bibliographie

Les hadrons - du grec, " hadros ", fort -, sensibles à l'interaction forte se présentent sous forme :

Quarks
Les quarks (sans leurs antiparticules)
(Figure : vetopsy.fr)

La théorie prévoit des baryons exotiques, tétraquarks (2 paires de quark-antiquark) et des pentaquacks (3 quark et une paire de quark-antiquark), non encore isolés.

Vue d'ensemble

Généralités sur les baryons

Les baryons - du grec " barys ", lourd - sont constitués de trios de quarks (cf. au-dessous).

Les baryons peuvent être classés selon leur nombre de quarks de 1ère génération (3 à 1 ou 0).

  • Ils sont tous composés de 3 quarks.
  • Dans une même classe, leur isospin peut être différent.

Nombre baryonique

Proton, neutrons et antiparticules
Proton, neutrons et antiparticules
(Figure : vetopsy.fr)

Le nombre baryonique $B$ est un nombre quantique additif d'un système.

$B=\dfrac{1}{3}(n_{\displaystyle q}-n_{\displaystyle\bar q)}$ où $n_{\displaystyle q}$ est le nombre de quarks et $n_{\displaystyle\bar q}$ le nombre d'antiquarks.

Le nombre baryonique $B$ est conservé de manière additive, i.e. il y a une invariance par transformation de jauge de l'hamiltonien $H$ :

  • $|\psi\rangle\rightarrow|\psi'\rangle=e^{-iB\alpha}|\psi\rangle$ , et donc : $[B,H]=0$.
  • Comme $\alpha$ est une constante indépendante, la transformation de jauge est globale.

Comme les nucléons ont été connus bien avant les quarks et qu'on les pensait indivisibles, on a tout simplement fait correspondre le nombre baryonique au nombre de quarks qui constituent les nucléons et en divisant par 3.

  • $B=1$ pour les baryons qui possèdent 3 quarks,
  • $B=-1$ pour les antibaryons,
  • $B=0$ pour les mésons qui possèdent un quark et un antiquark,
  • $B=0$ pour les leptons qui ne contiennent pas de quarks.

Dans la théorie de grande unification (GUT), des baryons peuvent se transformer en leptons (cf. conservation du nombre quantique hypothétique $B-L$), ce qui viole donc la loi de conservation du nombre leptonique et du nombre baryonique.

bien

Pour en savoir plus sur chaque baryon, cf. liste des baryons et leurs références précises.

Plasma quarks-gluons
Diagramme de phase de la chromodynamique quantique
(Figure : vetopsy.fr d'après irfu.cea.fr)

Classification des baryons

Baryons stables : nucléons

Les nucléons (isospin 1/2) sont composés de trois quarks de 1ère génération, dont au moins un up et un down.

  • Les protons sont formés de deux quarks up (2 x 1 charge 2/3) et un quark down (charge -1/3), ce qui leur donnent bien une charge positive (p+).
  • Les neutrons sont formés d'un quark up (charge 2/3) et de deux quarks down (2 x 1 charge -1/3), ce qui les rendent bien neutres.

Ils sont stables :

  • la durée de vie du proton est estimée à ≈1034 ans, c'est-à-dire supérieur à l'âge de l'univers ;
  • celle du neutron à 880 s.

Baryons instables

Ce sont des baryons ($\Delta,\Lambda,\Sigma,\Xi,\Omega$) qui se désintègrent très rapidement.

Un hypéron est un baryon qui possède un ou plusieurs quarks strange, mais sans charm, bottom ou top.

Baryons Delta

Les baryons Delta (isospin 3/2) sont composés de trois quarks de 1ère génération, comme les nucléons (cf. chapitre isospin).

  • Décuplet des baryons
    Décuplet de baryons
    Ils comprennent 4 membres :  $\Delta^{++}$ (uuu), $\Delta^+$ (uud), $\Delta^0$ (udd) et $\Delta^-$ (ddd) - projections d'isospin $I_3$ incrémentées de $1$, soit 4 projections : $l_3=3/2,1/2,-1/2,-3/2$ -.
  • Ils se désintègrent très rapidement (≈10-24 s) en un nucléon et un pion.

Par exemple, $\Delta^{++}\rightarrow p+\pi^+$ (cf. liste).

Baryons Lambda

Les baryons Lambda (isospin 0), sont composés d'un quark u, d'un quark d et d'un quark de génération supérieure (c, b, t, $\Lambda^0$ contient un s que l'on n'écrit pas).

  • Ils comprennent 3 membres : $\Lambda^0$ (uds), $\Lambda^+_c$ (udc) et $\Lambda^0_b$ (udb).
  • Leur désintégration est comprise entre ≈10-10 s et ≈10-13 s.
  • Un quatrième membre est hypothétique pour l'instant : $ \Lambda^+_t$  (udt) à désintégration très rapide ≈10-25 s.

La découverte du $\Lambda^0$ fut la première observation expérimentale du quarks : il se désintègre, en général, en libérant un proton et un pion négatif ($\Lambda^0\rightarrow\;p+\pi^-$), ou bien un neutron et un pion neutre ($\Lambda^0\rightarrow\;n+\pi^0$).

Baryons Sigma

Octet des baryons
Octet de baryons

Les baryons Sigma (isospin 1), sont composés de deux quarks de 1ère génération et d'un quark de génération supérieure (c, b, t, $\Sigma$ sans indice contient un s que l'on n'écrit pas). 

  • Ils comprennent 9 membres : $\Sigma^+$ (uus), $\Sigma^0$ (uds), $\Sigma^-$ (dds), $\Sigma^{++}_c$ (uuc), $\Sigma^+_c$ (udc), $\Sigma^0_c$ (ddc), $\Sigma^+_b$ (uub), $\Sigma^0_b$ (udb) et $\Sigma^-_b$  (ddb).
  • Trois sont hypothétiques pour l'instant : $\Sigma^{++}_t$ (uut), $\Sigma^+_t$  (udt) et $\Sigma^0_t$ (ddt).

Leur désintégration est comprise entre ≈10-10 s et ≈10-22 s (certaines sont inconnues).

Baryons Xi

Les baryons Xi (isospin 1/2), sont composés d'un quark de 1ère génération et de deux quarks de génération supérieure.

  • Ils comprennent 16 membres : $\Xi^0$ (uss), $\Xi^-$ (dss), $\Xi^+_c$ (usc), $\Xi^0_c$ (dsc), $\Xi^-_b$ (dsb)…
  • Quatre sont encore hypothétiques.

Ils sont historiquement appelés " particules en cascade " en raison de leur instabilité : ils se désintègrent rapidement en particules plus légères à travers une cascade de transformation. Leur désintégration est comprise entre ≈10-10 s et ≈10-14 s.

  • Première observation du baryon Omega
    Première observation du baryon $\Omega$
    Par exemple, $\Xi^0$ (uss) se désintègre en un $\Lambda^0$ (uds) et un pion neutre.
  • Ce pion se désintègre rapidement en un électron et un positron qui s'annihilent immédiatement en produisant des photons.

Baryons Oméga

Les baryons Oméga sont composés de trois quarks de génération supérieure.

  • Les baryons découverts sont :  $\Omega^-$ (sss), $\Omega^0_c$ (ssc) et $\Omega^-_b$ (ssb).
  • Les sept compositions différentes sont hypothétiques pour l'instant.
  • En outre, on considère que les quarks t ne peuvent exister dans les baryons $\Omega$, car ils se désintègrent trop vite (≈10-25 s).

Leur désintégration est comprise entre ≈10-11 s et ≈10-14 s.

Fermions : leptons

Bibliographie
  • Pas de bibliographie disponible