Barione

Il barione è una particella subatomica non elementare costituita da un numero dispari (almeno 3) di quark di valenza.^[1] In quanto composti da quark i barioni appartengono alla famiglia degli adroni e prendono parte all'interazione forte. Avendo spin semintero sono fermioni.

La combinazione dei tre quark: u, d ed s con uno spin totale di 3/2 chiamata decupletto barionico.

L'ottetto dei barioni con spin pari a 1/2.

Il termine barione fu proposto da Abraham Pais^[2] e deriva dal greco βαρύς (barýs), che significa "pesante",^[3] trattandosi di particelle con massa maggiore rispetto a quelle fino ad allora conosciute. I barioni più noti sono il protone e il neutrone, entrambi formati da tre quark, che costituiscono la maggior parte della massa visibile nell'universo e compongono il nucleo di tutti gli atomi.

Un censimento dei barioni dell'universo indica che il 10% può essere trovato dentro le galassie, dal 50 al 60% nel mezzo circumgalattico,^[4] e il restante 30 o 40% nel mezzo intergalattico tiepido-caldo (WHIM).^[5]

Acquisizioni più recenti

In data 22 dicembre 2006 sono stati scoperti due nuovi barioni, chiamati "Sigma-secondarie-b". Uno dei nuovi barioni scoperti dall'esperimento è formato da due quark up e da uno bottom, l'altro da due quark down e da un bottom. Le due nuove particelle subatomiche sono state individuate da un gruppo di ricerca americano coordinato da Petar Maksimovic della Scuola di arti e Scienze Krieger.

Per un certo tempo si è ritenuto che alcuni esperimenti mostrassero l'esistenza di pentaquark, barioni "esotici" costituiti da quattro quark e un antiquark^[6][7] (vedi paragrafo successivo).

Nel 2014, nell'ambito dell'esperimento LHCb al LHC, sono state scoperte le due particelle di natura barionica Xi_b'-, Xi_b*-^[8][9]

Aspetti generali

Essendo fermioni, i barioni sono descritti dalla statistica di Fermi-Dirac, che si applica a tutte le particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli.

I quark hanno numero barionico B = 1/3 mentre per gli antiquark B = −1/3. Il termine barione solitamente si riferisce ai "triquark", ovvero quei barioni composti da tre quark (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1). Ogni barione ha un'antiparticella formata dagli antiquark corrispondenti; per esempio, un protone è costituito di due quark up e un quark down, mentre l'antiprotone, è costituito di due antiquark up e un antiquark down.

Sono stati proposti barioni esotici, come il pentaquark, formato da quattro quark e un antiquark (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1),^[6][7] ma la loro esistenza non è generalmente accettata. In particolare, nel 2006^[10] e nel 2008^[11] la comunità dei fisici delle particelle si esprimeva in modo predominante contro la loro esistenza. Tuttavia nel luglio 2015 l'esperimento LHCb osservò due risonanze compatibili con stati di pentaquark nel decadimento Λ0b → J/ψK⁻p, con una significatività statistica combinata di 15 σ.^[12][13]

In teoria, potrebbero esistere anche gli eptaquark (5 quark, 2 antiquark), i nonaquark (6 quark, 3 antiquark), ecc.

Proprietà

Lista dei barioni

Queste liste espongono tutti i barioni noti e quelli previsti teoricamente con momento angolare totale J = 1/2 e nelle configurazioni di J = 3/2 con parità positiva.^[14] Le antiparticelle non sono elencate nelle tabelle, tuttavia si possono ottenere semplicemente scambiando tutti i quark con antiquark (e gli antiquark con quark), e rendendo Q, B, S, C, B′ di segno opposto.

• I barioni composti da un tipo di quark (uuu, ddd, ...) possono esistere in configurazione J = ³⁄₂, mentre J = ¹⁄₂ è proibito dal principio di esclusione di Pauli.
• I barioni composti da due tipi di quark (uud, uus, ...) possono esistere sia in configurazione J = ¹⁄₂ sia in J = ³⁄₂.
• I barioni composti da tre tipi di quark (uds, udc, ...) possono esistere sia in configurazione J = ¹⁄₂ sia in J = ³⁄₂. Per questi barioni sono possibili due configurazioni con J = ¹⁄₂.

I simboli utilizzati sono: I (isospin), J (operatore momento angolare totale), P (parità), u (quark up), d (quark down), s (quark strange), c (quark charm), b (quark bottom), Q (carica), B (numero barionico), S (stranezza), C (charm), B′ (bottomness).

Le particelle con il simbolo ^† accanto al nome sono previste dal modello standard ma non ancora osservate. I valori segnati in rosso non sono ancora stati stabiliti tramite gli esperimenti, ma sono previsti dal modello a quark e sono coerenti con le misure.^[15][16][17]

J^P = barioni 1/2⁺

J^P = barioni 1/2⁺

Nome della particella	Simbolo	Quark contenuti	Massa a riposo (MeV/c2)	I	JP	Q (e)	S	C	B'	vita media (s)	Comunemente decade in
nucleone/protone[18]	p / p+ / N+	uud	938,272 029 ± 0,000080 [a]	1/2	1/2+	+1	0	0	0	Stabile	Inosservati
nucleone/neutrone[19]	n / n⁰ / N⁰	udd	939,565 360±0,000 081 [a]	1/2	1/2+	0	0	0	0	8,857 ± 0,008×102 [c]	p+ + e⁻ + ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$
Lambda[20]	Λ⁰	uds	1115,683 ± 0,006	0	1/2+	0	−1	0	0	2,631 ± 0,020×10−10	p+ + π⁻ o n⁰ + π⁰
Lambda charmed[21]	Λ+c	udc	2286,46 ± 0,14	0	1/2+	+1	0	+1	0	2,00 ± 0,06×10−13	Vedi modi di decadimento di Λ+c
Lambda bottom[22]	Λ⁰b	udb	5620,2 ± 1,6	0	1/2+	0	0	0	−1	1,409 +0,055×10−12 1,409−0,054×10−12	Vedi modi di decadimento di Λ⁰b
Sigma[23]	Σ+	uus	1189,37 ± 0,07	1	1/2+	+1	−1	0	0	8,018 ± 0,026×10−11	p+ + π⁰ o n⁰ + π+
Sigma[24]	Σ⁰	uds	1192,642 ± 0,024	1	1/2+	0	−1	0	0	7,4 ± 0,7×10−20	Λ⁰ + γ
Sigma[25]	Σ⁻	dds	1197,449 ± 0,030	1	1/2+	−1	−1	0	0	1,479 ±0,011×10−10	n⁰ + π⁻
Sigma charmed[26]	Σ++c(2455)	uuc	2454,02 ± 0,18	1	1/2+	+2	0	+1	0	3,0 ± 0,4×10−22 [d]	Λ+c + π+
Sigma charmed[26]	Σ+c(2455)	udc	2452,9 ± 0,4	1	1/2+	+1	0	+1	0	>1,4×10−22 [d]	Λ+c + π⁰
Sigma charmed[26]	Σ⁰c(2455)	ddc	2453,76 ± 0,18	1	1/2+	0	0	+1	0	3,0 ± 0,5×10−22 [d]	Λ+c + π⁻
Sigma bottom[27]	Σ+b(? [e])	uub	5807,8 ± 2,7	1	1/2+	+1	0	0	−1	Sconosciuta	Λ⁰b + π+
Sigma bottom †	Σ⁰b(? [e])	udb	Sconosciuta	1	1/2+	0	0	0	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Sigma bottom[27]	Σ⁻b(? [e])	ddb	5815,2 ± 2,0	1	1/2+	−1	0	0	−1	Sconosciuta	Λ⁰b + π⁻
Xi[28]	Ξ⁰	uss	1314,86 ± 0,20	1/2	1/2+	0	−2	0	0	2,90 ± 0,09×10−10	Λ⁰ + π⁰
Xi[29]	Ξ⁻	dss	1321,71 ± 0,07	1/2	1/2+	−1	−2	0	0	1,639 ± 0,015×10−10	Λ⁰ + π⁻
Xi charmed[30]	Ξ+c	usc	2467,9 ± 0,4	1/2	1/2+	+1	−1	+1	0	4,42 ± 0,26×10−13	Vedi modi di decadimento di Ξ+c
Xi charmed[31]	Ξ⁰c	dsc	2471,0 ± 0,4	1/2	1/2+	0	−1	+1	0	1,12 +0,13×10−13 1,12 −0,10×10−13	Vedi modi di decadimento di Ξ⁰c
Xi charmed primo[32]	Ξ′+c	usc	2575,7 ± 3,1	1/2	1/2+	+1	−1	+1	0	Sconosciuta	Ξ+c + γ (osservati)
Xi charmed primo[33]	Ξ′⁰c	dsc	2578,0 ± 2,9	1/2	1/2}+	+1	−1	+1	0	Sconosciuta	Ξ⁰c + γ (osservati)
Xi doppio charmed [f]	Ξ++cc	ucc	3621,40 ± 0,72 ± 0,27 ± 0,14	1/2	1/2+	+2	0	+2	0	Sconosciuta	Λ+c + K⁻ + π+ + π+
Xi doppio charmed [f][34]	Ξ+cc	dcc	3518,9 ± 0,9 [f]	1/2	1/2+	+1	0	+2	0	< 3,3×10−14 [f]	Λ+c + K⁻ + π+ [f] o p+ + D+ + K⁻ [f]
Xi bottom[35] (o Cascata B)	Ξ⁰b	usb	Sconosciuta	1/2	1/2+	0	−1	0	−1	1,42 + 0,28 ×10−12 1,42 −0,24 ×10−12 [g]	Vedi modi di decadimento di Ξ⁰b
Xi bottom[35] (o Cascata B)	Ξ⁻b	dsb	5792,4 ± 3,0	1/2	1/2+	−1	−1	0	−1	1,42 + 0,28 ×10−12 1,42 −0,24 ×10−12 [g]	Vedi modi di decadimento di Ξ⁻b (furono osservati anche Ξ⁻ + J/ψ)
Xi bottom primo†	Ξ′⁰b	usb	Sconosciuta	0	1/2+	0	−1	0	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom primo †	Ξ′⁻b	dsb	Sconosciuta	0	1/2+	0	−1	0	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi doppio bottom †	Ξ⁰bb	ubb	Sconosciuta	1/2	1/2+	0	0	0	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi doppio bottom †	Ξ⁻bb	dbb	Sconosciuta	1/2	1/2+	−1	0	0	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom charmed †	Ξ+cb	ucb	Sconosciuti	1/2	1/2+	+1	0	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom charmed †	Ξ⁰cb	dcb	Sconosciuta	1/2	1/2+	0	0	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom charmed primo†	Ξ′+cb	ucb	Sconosciuta	0	1/2+	+1	0	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom charmed primo†	Ξ′⁰cb	dcb	Sconosciuta	0	1/2+	+1	0	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega charmed[36]	Ω⁰c	ssc	2697,5 ± 2,6	0	1/2+	0	−2	+1	0	6,9 ± 1,2×10−14	Vedi modi di decadimento di Ω⁰c
Omega bottom[37]	Ω⁻b	ssb	6165 ± 23	0	1/2+	−1	−2	0	−1	1,13 + 0,55 ×10−12 1,13 −0,42 ×10−12	(Ω⁻ + J/ψ osservati)
Omega doppio charmed †	Ω+cc	scc	Sconosciuta	0	1/2+	+1	−1	+2	0	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega bottom charmed †	Ω⁰cb	scb	Sconosciuta	0	1/2+	0	−1	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega bottom charmed primo†	Ω′⁰cb	scb	Sconosciuta	0	1/2+	0	−1	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega doppio bottom †	Ω⁻bb	sbb	Sconosciuta	0	1/2+	−1	−1	0	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega doppio bottom charmed †	Ω+ccb	ccb	Sconosciuta	0	1/2+	+1	0	+2	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega doppio bottom charmed †	Ω⁰cbb	cbb	Sconosciuta	0	1/2+	0	0	+1	−2	Sconosciuta	Sconosciuti

^† Particella non ancora osservata.
^[a] Le masse del protone e del neutrone sono conosciute con migliore precisione in unità atomiche (u) che in MeV/c², a causa del valore relativamente poco conosciuto della carica elementare. Nell'unità di massa atomica, la massa del protone è 1,007 276 466 88(13) u mentre quella del neutrone è 1,008 664 915 60(55) u.
^[b] Almeno 10³⁵ anni. Vedi decadimento del protone.
^[c] Per i neutroni liberi; nella maggior parte dei nuclei, i neutroni sono stabili.
^[d] Il PDG riferisce la larghezza di risonanza (Γ). Qui invece viene data la conversione τ = ħ/Γ.
^[e] I valori specifici del nome non sono stati ancora decisi, ma potrebbero essere vicini a Σ_b(5810).
^[f] Esistono alcune controversie riguardo a questi dati.^[34]
[g] Questa è in realtà una misura della vita media dei barioni B che decadono in un getto (jet) contenente una stessa coppia di segni Ξ^∓l^∓. Probabilmente la miscela (mix) è principalmente Ξ_b con qualche Λ_b.

J^P = barioni 3/2 ⁺

J^P = barioni 3/2⁺

Nome della particella	Simbolo	Quark contenuti	Massa a riposo (MeV/c2)	I	JP	Q (e)	S	C	B'	vita media (s)	Comunemente decade in
Delta[38]	Δ++ (1232)	uuu	1232 ± 1	3/2	3/2+	+2	0	0	0	5,58 ± 0,09×10−24 [h]	p+ + π+
Delta[38]	Δ+(1232)	uud	1232 ± 1	3/2	3/2+	+1	0	0	0	5,58 ± 0,09×10−24[h]	π+ + n0 o π0 + p
Delta[38]	Δ⁰ (1232)	udd	1232 ± 1	3/2	3/2+	0	0	0	0	5,58 ± 0,09×10−24[h]	π⁰ + n⁰ o π⁻ + p+
Delta[38]	Δ⁻(1232)	ddd	1232 ± 1	3/2	3/2+	−1	0	0	0	5,58 ± 0,09×10−24 [h]	π⁻ + n⁰
Sigma[39]	Σ∗+(1385)	uus	1382,8 ± 0,4	1	3/2+	+1	−1	0	0	1,84 ± 0,04×10−23 [h]	Λ⁰ + π+ o Σ+ + π⁰ o Σ⁰ + π+
Sigma[39]	Σ∗0(1385)	uds	1383,7 ± 1,0	1	3/2+	0	−1	0	0	1,8±0,3×10−23[h]	Λ⁰ + π⁰ o Σ+ + π⁻ o Σ⁰ + π⁰
Sigma[39]	Σ∗⁻(1385)	dds	1387,2 ± 0,5	1	3/2+	−1	−1	0	0	1,67 ± 0,09×10−23 [h]	Λ⁰ + π⁻ o Σ⁰ + π⁻ o Σ⁻ + π⁰
Sigma charmed[40]	Σ∗++c(2520)	uuc	2518,4 ± 0,6	1	3/2 +	+2	0	+1	0	4,4 ± 0,6×10−23 [h]	Λ+c + π+
Sigma charmed[40]	Σ∗+c(2520)	udc	2517,5 ± 2,3	1	3/2 +	+1	0	+1	0	> 3,9×10−23 [h]	Λ+c + π⁰
Sigma charmed[40]	Σ∗⁰c(2520)	ddc	2518,0 ± 0,5	1	3/2 +	0	0	+1	0	4,1 ± 0,5×10−23 [h]	Λ+c + π⁻
Sigma bottom[41]	Σ∗+b	uub	5829,0 ± 3,4	1	3/2 +	+1	0	0	−1	Sconosciuta	Λ⁰b + π+
Sigma bottom †	Σ∗⁰b	udb	Sconosciuta	1	3/2 +	0	0	0	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Sigma bottom[41]	Σ∗⁻b	ddb	5836,4 ± 2,8	1	3/2 +	−1	0	0	−1	Sconosciuta	Λ⁰b + π⁻
Xi[42]	Ξ∗0(1530)	uss	1531,80 ± 0,32	1/2	3/2+	0	−2	0	0	7,2 ± 0,4×10−23 [h]	Ξ⁰ + π⁰ o Ξ⁻ + π+
Xi[42]	Ξ∗⁻(1530)	dss	1535,0 ± 0,6	1/2	3/2+	−1	−2	0	0	6,7 +1,1 ×10−23 6,7 −1,2 ×10−23 [h]	Ξ⁰ + π⁻ o Ξ⁻ + π⁰
Xi charmed[43]	Ξ∗+c(2645)	usc	2646.6 ± 1,4	1/2	3/2 +	+1	−1	+1	0	2,1×10−22 [h]	Ξ+c + π⁰ (osservati)
Xi charmed[43]	Ξ∗0c(2645)	dsc	2646,1 ± 1,2	1/2	3/2 +	0	−1	+1	0	> 1,2×10−22 [h]	Ξ+c + π⁻ (osservati)
Xi doppio charmed †	Ξ∗++cc	ucc	Sconosciuta	1/2	3/2 +	+2	0	+2	0	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi doppio charmed†	Ξ∗+cc	dcc	Sconosciuta	1/2	3/2 +	+1	0	+2	0	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom[44]	Ξ∗0b	usb	5945.0 ± 2.8	1/2	3/2 +	0	−1	0	−1	Sconosciuta	Ξ⁻b + π+ o Ξ+b + π-
Xi bottom †	Ξ∗⁻b	dsb	Sconosciuta	1/2	3/2 +	−1	−1	0	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi doppio bottom †	Ξ∗0bb	ubb	Sconosciuta	1/2	3/2 +	0	0	0	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi doppio bottom †	Ξ∗⁻bb	dbb	Sconosciuta	1/2	3/2 +	−1	0	0	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom charmed †	Ξ∗+cb	ucb	Sconosciuta	1/2	3/2 +	+1	0	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Xi bottom charmed †	Ξ∗0cb	dcb	Sconosciuta	1/2	3/2 +	0	0	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega[45]	Ω⁻	sss	1672,45 ± 0,29	0	3/2+	−1	−3	0	0	8,21 ± 0,11×10−11 [h]	Λ⁰ + K⁻ o Ξ⁰ + π⁻ o Ξ⁻ + π⁰
Omega charmed[46]	Ω∗0c(2770)	ssc	2768,3 ± 1,5	0	3/2 +	0	−2	+1	0	Sconosciuta	Ω⁰c + γ
Omega bottom †	Ω∗⁻b	ssb	Sconosciuta	0	3/2 +	−1	−2	0	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega doppio charmed †	Ω∗+cc	scc	Sconosciuta	0	3/2 +	+1	−1	+2	0	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega bottom charmed †	Ω∗0cb	scb	Sconosciuta	0	3/2 +	0	−1	+1	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega doppio bottom †	Ω∗⁻bb	sbb	Sconosciuta	0	3 +	−1	−1	0	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega triplo charmed †	Ω++ccc	ccc	Sconosciuta	0	3/2 +	+2	0	+3	0	Sconosciuta	Sconosciuti
Barione omega doppio charmed †	Ω∗+ccb	ccb	Sconosciuta	0	3/2 +	+1	0	+2	−1	Sconosciuta	Sconosciuti
Barione omega doppio bottom charmed†	Ω∗0cbb	cbb	Sconosciuta	0	3/2 +	0	0	+1	−2	Sconosciuta	Sconosciuti
Omega triplo bottom †	Ω⁻bbb	bbb	Sconosciuta	0	3/2 +	−1	0	0	−3	Sconosciuta	Sconosciuti

^† Particella non ancora osservata.
^[h] Il PDG riporta la larghezza di risonanza (Γ). Qui invece viene data la conversione τ = ħ/Γ.