En hadron (fra gresk ἁδρός , hadrós , "tett" eller "sterk") er en subatomær partikkel som består av kvarker som holder sammen på grunn av sterk kjernefysisk interaksjon mellom dem. Før postuleringen av kvarkmodellen ble hadroner definert som de partiklene som var følsomme for den sterke interaksjonen.
Som alle subatomære partikler har hadroner kvantetall som tilsvarer Poincaré-grupperepresentasjonene : , hvor er spinnet , pariteten , pariteten C og massen . De kan også bære smakskvantetall som isospin , merkelighet , etc. JPC(m)JPCm
Nesten alle "frie" hadroner og antihadroner (det vil si isolert og ikke bundet i en atomkjerne ) antas å være ustabile og til slutt forfalle til andre partikler. Det eneste kjente mulige unntaket er frie protoner, som ser ut til å være stabile , eller i det minste tar lang tid å forfalle (i størrelsesorden 10 34+ år). Til sammenligning er frie nøytroner den lengstlevende ustabile partikkelen , som forfaller med en halveringstid på omtrent 879 sekunder. [ note 1 ] [ 1 ] Eksperimentelt studeres hadronfysikk ved å kollidere protoner eller kjerner av tette, tunge grunnstoffer som bly eller gull, og detektere rusk i regnbygene av partikler som produseres. Den identiske prosessen skjer i det naturlige miljøet, i den ekstreme øvre atmosfæren, der myoner og mesoner som pioner produseres ved kollisjoner av kosmiske stråler med forsjeldne gasspartikler i den ytre atmosfæren.
Begrepet "hadron" ble introdusert av Lev B. Okun i et møte på den internasjonale konferansen om høyenergifysikk i 1962. [ 2 ] På dette møtet sa han:
Selv om denne rapporten omhandler svake interaksjoner, vil vi ofte måtte snakke om sterkt interagerende partikler. Disse partiklene utgjør ikke bare en rekke vitenskapelige problemer, men også terminologiske. Poenget er at «sterkt interagerende partikler» er et veldig klønete begrep som ikke gjennomgår dannelsen av et adjektiv. Av denne grunn, for bare å ta ett eksempel, kalles henfall i sterkt interagerende partikler ikke -leptoniske . Denne definisjonen er ikke nøyaktig fordi "ikke-leptonisk" også kan bety "fotonisk". I denne rapporten vil jeg kalle de sterkt interagerende partiklene "hadroner", og de tilsvarende forfallene "hadroniske" (gresk ἁδρός som betyr "stor", "massiv", i motsetning til λεπτός som betyr "liten", "lett"). Jeg håper denne terminologien er praktisk.Både kvarkmodellen og empiriske bevis tyder på at hadroner er partikler sammensatt av kvarker og/eller antikvarker. Det er to typer hadroner (ikke medregnet "eksotiske" tilfeller):
Disse partiklene har et baryonnummer ( B) annet enn null, som er lik +1 for nukleoner og lik -1 for antipartiklene deres.
De fleste hadroner har blitt tilstrekkelig klassifisert av kvarkmodellen , som antyder at alle baryonkvantetall er avledet fra valenskvarkene . For en baryon er dette tre kvarker, og for en meson er dette ett kvark-antikvark-par.
Hver kvark er da en fermion med B= 1/3. Baryoniske eller mesoniske eksiterte tilstander er kjent som resonanser . Hver hadronisk grunntilstand kan ha mange eksiterte tilstander, og hundrevis har blitt observert i partikkeleksperimenter. Resonansene avtar ekstremt raskt (omtrent 10 −24 s) på grunn av de sterke interaksjonene.
Mesoner som faller utenfor klassifiseringen etter kvarkmodellen kalles eksotiske mesoner . Disse inkluderer kulegluoner , hybridmesoner og tetrakvarker . De eneste baryonene som er utenfor kvarkmodellen til dags dato er pentaquarks , men bevisene for deres eksistens er ennå ikke klarlagt. Eksistensen av hadron Z(4430) har nylig blitt demonstrert , med et konfidensnivå på sigma 13.9. [ 3 ]
Resonanser er massive partikler med svært kort eksistens, de går veldig raskt i oppløsning til lettere partikler. Siden fremkomsten av kvarkmodellen har de blitt tolket som eksiterte tilstander med en energi som er høyere enn grunntilstanden, av bundne systemer av kvarker. Derfor ville ikke resonansene være strengt forskjellige strukturer, selv om de i utgangspunktet ble tolket som å ha en annen masse enn grunntilstanden (masseavviket har å gjøre med forholdet E = mc 2 ).
Alle hadroner er systemer av kvarker bundet av sterk interaksjon , standardteorien som står for denne sterke interaksjonen er quantum chromodynamikk (på engelsk quantum chromodynamikk eller QCD). Denne teorien postulerer ulike typer kvarker som samhandler med hverandre gjennom et gluonfelt. Dette feltet består av bosoner kalt gluoner . På grunn av en viktig egenskap ved teorien kalt innesperring , opplever kvarker med energier under QCD-skalaen denne innesperringen, som hindrer frie kvarker fra å bli observert ved lave energier, så de vises vanligvis i form av hadroner. En annen interessant egenskap ved teorien er at disse bundne systemene av kvarker eller hadroner som er sammensatte, og ikke har en fargeladning : hvis de består av 3 kvarker, er en "rød", en er "grønn" og en er "blå" (fra slik at de kaller seg "hvite"). I mesoner hvis kvarken er av en "farge" og anti-kvark har de tilsvarende "antifarge". Så globalt er det ingen «farge» som dominerer, noe som er en av konsekvensene av innesperring.
I andre faser av QCD-stoff kan hadronene forsvinne. For eksempel, ved svært høy temperatur og trykk, med mindre det er nok veldig massive smaker av kvarker, forutsier QCD-teorien at kvarkene og gluonene vil samhandle svakt og ikke lenger vil være begrenset. Denne egenskapen, som er kjent som asymptotisk frihet , har blitt eksperimentelt bekreftet ved energiskalaer mellom én GeV og én TeV. Men denne teorien vil snart bli satt på prøve siden 10. september 2008 ble en stor hadronkollider eller partikkelakselerator ( LHC ), som måler 27 km i omkrets, satt i drift, plassert på grensen mellom Frankrike og Sveits, nær byen Genève, og har kostet 3.700 millioner euro (ca. 6.000 millioner dollar ifølge enkelte kilder).