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Baryons

Les baryons sont par définition les hadrons qui ont un spin demi-entier. On leur associe un « nombre baryonique » B égal à 1 ou à — 1 selon qu'il s'agit d'une particule ou d'une antiparticule et on constate que toutes les réactions conservent ce nombre, c'est-à-dire que dans toute réaction observée la somme des nombres baryoniques des particules présentes dans l'état initial est toujours égal à la somme des nombres baryoniques des particules finales. Ainsi l'annihilation d'un électron (= 0) et d'un positron (= 0) donne éventuellement naissance à un proton (= 1) et un antiproton (=  1) mais pas à deux protons. En termes de champs élémentaires, on attache un nombre baryonique égal à 1/3 (respectivement — 1/3) à chaque quark (respectivement antiquark) et un nombre baryonique nul à tous les autres champs fondamentaux (gluons, photons, leptons...). Cette règle de conservation n'est pas vraiment comprise car elle ne semble liée à aucune symétrie fondamentale des lois physiques, contrairement à la conservation de la charge électrique interprétée comme la conséquence du principe de symétrie de jauge des interactions électromagnétiques. La recherche infructueuse des désintégrations du proton montre que si cette loi de conservation est violée, elle l'est de façon extrêmement ténue.

Baryons légers

Les baryons les plus légers sont le proton et le neutron. Les baryons plus lourds se désintègrent tous – suivant des processus plus ou moins directs – en un proton accompagné de diverses particules. Le contenu en quarks et en gluons des baryons est analysé en termes de superposition d'états : chacun de ces états contient trois quarks (dits de valence) et un nombre variable de gluons et de paires quark-antiquark. Si un des quarks de valence est le quark s (respectivement c, b), on dit que le baryon est étrange (respectivement charmé, beau). La théorie des groupes permet de regrouper les baryons en multiplets. On connaît actuellement plus de 100 baryons.

Les baryons ordinaires, dont les quarks de valence sont les quarks u, d ou s, sont classifiés selon les représentations issues du groupe de symétrie approximative SU(3). Les quarks forment un triplet (noté 3) et un état de trois quarks appartient à une représentation issue de la décomposition du produit des trois représentations, qui s'écrit :

3 × 3 × 3 = 10 + 8 + 8 + 1.

Les baryons se groupent ainsi en octets (8), en décuplets (10) et en singulets (1). Si la symétrie SU(3) était exacte, les particules d'un multiplet auraient mêmes masses, même spin et même état de parité. Comme cette symétrie n'est qu'approchée, les masses ne sont pas identiques mais voisines, comme le sont les masses des quarks u, d et s. Le proton et le neutron appartiennent au premier octet, avec les hypérons Λ(1116), Σ(1193) et Ξ (1320) [les nombres entre parenthèses indiquent les masses, en MeV, des particules, fig. 1]. Le Σ existe sous trois états de charge (Σ+, Σ, Σ0), le Ξ sous deux états de charge (Ξ, Ξ0) et le Λ sous un seul état de charge nulle. Ces huit particules ont un spin 1/2 et un nombre quantique de parité positif. Le multiplet suivant est un décuplet contenant les particules de spin 3/2 et de parité positive : quatre baryons Δ(1232) : Δ++, Δ+, Δ, Δ0, trois baryons Σ(1385) : Σ+, Σ, Σ0, deux baryons Ξ(1530) : Ξ, Ξ0 et le baryon construit à partir de trois quarks s : Ω(1672). La découverte expérimentale de cet état Ω prédit par le modèle des quarks eut une importance historique certaine. D'autres baryons de spins 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2 ont été découverts avec des masses plus élevées (jusque vers 2 500 MeV) et ils semblent tous se grouper en octets, décuplets ou singulets.

Diagrammes représentant des multiplets de mésons

Dessin : Diagrammes représentant des multiplets de mésons

Ces deux diagrammes représentent les multiplets des mésons pseudoscalaires de spin nul (a) et vectoriels de spin unité (b) les plus fondamentaux, selon la classification issue de la théorie du groupe SU(4). Les axes indiquent la valeur de l'isospin (I), du charme (C) et de l'hypercharge (Y)... 

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Baryons charmés

La découverte de l'existence du quark c en 1974 a imposé d'élargir les règles de regroupement des baryons selon les représentations du groupe SU(4). Mais la grande différence de masse entre le quark c et les trois quarks plus légers viole encore davantage la symétrie déjà approximative sous-jacente. On a observé une douzaine de baryons charmés, le plus léger, noté Λc(2286), se désintègre par interaction faible en un proton et quelques mésons. Sa vie moyenne est de l'ordre de 200 femtosecondes (1 femtoseconde = 10—15 s). Il n'y a aucune raison d'exclure l'existence de baryons doublement ou triplement charmés, c'est-à-dire contenant deux ou trois quarks c de valence. Mais on comprend que leur production et leur détection seront difficiles.

Baryons beaux

On a observé au moins un baryon contenant un quark b de [...]

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Diagrammes représentant des multiplets de mésons

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Diagrammes représentant des multiplets de baryons

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Hadrons », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-hadrons/