ΒΑΡΥΟΝΙΑ

Τα βαρυόνια είναι σωματίδια που αποτελούνται από τρία κουάρκ. Σχηματίζονται με την δράση της ισχυρής δύναμης και υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli. To όνομά τους προέρχεται από την ελληνική λέξη «βαρύς». 

Χαρακτηριστικά παραδείγματα βαρυονίων είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο.
Το πρωτόνιο είναι το ελαφρύτερο βαρυόνιο και, όταν βρεθεί μόνο του, δεν διασπάται.
Το νετρόνιο, όταν βρεθεί απομονωμένο, είναι ασταθές (διασπάται σε περίπου 15 λεπτά), αλλά, όταν βρίσκεται στο εσωτερικό των ατομικών πυρήνων μαζί με άλλα νετρόνια και πρωτόνια, δεν διασπάται.

Οι ιδιότητες ενός βαρυονίου, όπως το ηλεκτρικό φορτίο, η «παραδοξότητα» S, το «χάρισμα» C και η «πυθμενικότητα» B προσδιορίζονται από τα κουάρκ που περιέχουν. Έτσι, για παράδειγμα, τα δύο u κουάρκ και το ένα d κουάρκ που απαρτίζουν το πρωτόνιο p(uud), του προσδίδουν συνολικό ηλεκτρικό φορτίο +e, ενώ το ένα u κουάρκ και τα δύο d κουάρκ του νετρονίου n(udd) έχουν συνολικό φορτίο μηδέν. Εάν ένα ή περισσότερα από αυτά τα u ή d κουάρκ αντικατασταθεί από ένα s κουάρκ, προκύπτει ένα «παράδοξο» βαρυόνιο. Αντίστοιχα, η παρουσία ενός c κουάρκ δημιουργεί ένα «χαρισματικό» βαρυόνιο, ενώ η παρουσία ενός b κουάρκ δημιουργεί ένα «πυθμενικό» βαρυόνιο. 

Βαρυόνια μπορούν να σχηματιστούν και από κουάρκ του ίδιου είδους.
Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το παράδοξο βαρυόνιο Ω^– (sss) που έχει φορτίο 3 x ( – e/3 ) = – e και παραδοξότητα C = 3 x (- 1) = – 3, αφού περιέχει τρία s κουάρκ.

✏️   Υπολόγισε το φορτίο που έχουν τα ασταθή βαρυόνια Δ : (uuu) και (ddd)

Τα βαρυόνια μπορούν να σχηματίσουν συμπαγείς ομάδες, όπως συμβαίνει στους ατομικούς πυρήνες. 
Αν ένα παράδοξο βαρυόνιο αντικαταστήσει το πρωτόνιο ή το νετρόνιο ενός πυρήνα, τότε μιλάμε για έναν υπερ-πυρήνα (hypernucleus). Θεωρητικά μπορεί ένας τέτοιος πυρήνας να περιέχει και βαρυόνια από ακόμη βαρύτερα κουάρκ, αλλά αναμένεται να είναι εξαιρετικά ασταθής.

Όταν συνδέονται τρία αντικουάρκ, σχηματίζουν ένα αντιβαρυόνιο, όπως είναι το αντιπρωτόνιο (ūūƌ) ή το αντινετρόνιο (ūƌƌ).
Τα βαρυόνια έχουν βαρυονικό αριθμό +1 και τα αντιβαρυόνια – 1.

Πρωτόνιο – Νετρόνιο

Θεωρούμε ότι το πρωτόνιο είναι το πιο βασικό βαρυόνιο. Τα ελεύθερα νετρόνια αυθόρμητα διασπώνται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε πρωτόνια, ενώ τα βαρύτερα βαρυόνια συνήθως δίνουν στα παράγωγα των διασπάσεών τους τουλάχιστον ένα πρωτόνιο. 

Το απομονωμένο πρωτόνιο είναι σταθερό, τουλάχιστον για όσο χρόνο υπάρχει το σύμπαν μας. Μέσα όμως σε έναν πυρήνα μπορεί να διασπαστεί ασθενώς σε ένα νετρόνιο, ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο:

p  ➞ n + e⁺  + ν_e 

Τα πρωτόνια, επειδή έχουν φορτίο, μπορούν να επιταχυνθούν από ηλεκτρικά πεδία. Όταν αποκτούν μεγάλη ενέργεια, αποτελούν το βασικό εργαλείο (πειράματα σύγκρουσης σωματιδίων) για να μελετήσουμε την ύλη κάτω από ακραίες συνθήκες. Οι δέσμες των πρωτονίων πλεονεκτούν σε σχέση με τις δέσμες των ηλεκτρονίων, διότι τα πρωτόνια αλληλεπιδρούν τόσο μέσω της ηλεκτρομαγνητικής όσο και μέσω της ισχυρής δύναμης. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από αυτές τις αντιδράσεις δημιουργεί τις συνθήκες που βρισκόταν το σύμπαν μας τις πρώτες στιγμές μετά το Big Bang. 

Τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο και έτσι δεν αφήνουν ίχνη στους ανιχνευτές σωματιδίων. Η ουδετερότητά τους, όμως, αποτελεί και πλεονέκτημα. Τα πρωτόνια μέσα σε έναν πυρήνα  απωθούνται από τις ηλεκτρικές δυνάμεις. Αντίθετα, τα νετρόνια δεν “αισθάνονται” αυτή την δύναμη. Έτσι, νετρόνια μικρής ταχύτητας μπορούν να εισέλθουν μέσα στον πυρήνα, να αλλάξουν την εσωτερική δομή του και να σχηματίσουν νέα ισότοπα. Αυτό είναι το κλειδί της τεχνολογίας για την παραγωγή ειδικών ισοτόπων για την ιατρική. 

Άλλη μια συνέπεια της διεισδυτικότητας των νετρονίων σε έναν πυρήνα είναι το φαινόμενο της πυρηνικής σχάσης και της απελευθέρωσης ενέργειας από τον πυρήνα, όπως συμβαίνει στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και στην ατομική βόμβα.

Παρόλο που το νετρόνιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες.
Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στα νετρόνια να χρησιμοποιηθούν ως «εργαλείο»  στην ιατρική, σε συνεργασία με τα φωτόνια των ακτίνων Χ.

Παράδοξα Βαρυόνια

Παράδοξα ονομάζουμε τα βαρυόνια που έχουν τουλάχιστον ένα s κουάρκ.
Για κάθε ένα s κουάρκ αυξάνεται η παραδοξότητα S κατά -1.

Το 1951 ανακαλύφθηκε στις κοσμικές ακτίνες το πρώτο παράδοξο βαρυόνιο που ονομάστηκε Λ από τον τρόπο της διάσπασής του. Το σωματίδιο Λ(uds) δεν έχει φορτίο και δεν αφήνει ίχνη στον ανιχνευτή. Όμως ανιχνεύεται από την διάσπασή του συνήθως (στο 64% των περιπτώσεων) σε ένα πρωτόνιο και ένα αρνητικό π μεσόνιο, των οποίων οι τροχιές σχηματίζουν την μορφή του ελληνικού γράμματος Λ.

Το βαρυόνιο Λ σχηματίζεται μέσω της ισχυρής δύναμης με συνδυασμένη παραγωγή, δηλαδή με τον σχηματισμό δύο σωματιδίων αντίθετης παραδοξότητας, ώστε να ισχύει |ΔS| = 0.

Για παράδειγμα :

π^– (ūd) + p (uud)  ➞ Λ (uds) + K⁰ (dŝ)

και διασπάται μέσω της ασθενούς δύναμης, στην οποία έχουμε μεταβολή της παραδοξότητας |ΔS| = 1 : 

Λ (uds) ➞ π^– (ūd) + p (uud)

Το 1953 μια ομάδα Ιταλών φυσικών παρατήρησε ένα άλλο παράδοξο βαρυόνιο στις κοσμικές ακτίνες. Το σωματίδιο ήταν θετικά φορτισμένο, “έσπαγε” σε ένα πρωτόνιο και ένα ουδέτερο μεσόνιο π⁰ (που δεν φαινόταν) και ήταν περίπου 30% βαρύτερο από το πρωτόνιο.
Ήταν σαν να είχε ανακαλυφθεί ένα Σούπερ-πρωτόνιο, γι’ αυτό και ονομάστηκε βαρυόνιο Σ⁺.

Αργότερα την ίδια χρονιά ανακαλύφθηκε στο εργαστήριο μια αρνητική έκδοση του βαρυονίου Σ, ενώ το 1956 βρέθηκε και μια ουδέτερη μορφή του και έτσι σχηματίστηκε η τριάδα των σωματιδίων :

Σ^– (dds),  Σ⁺ (uus) , Σ⁰ (uds)

που έχουν αρνητική παραδοξότητα S = -1, διότι το καθένα τους έχει ένα s κουάρκ.

Την ίδια δεκαετία ανακαλύφθηκε και μια δυάδα βαρυονίων, που το καθένα περιέχει δύο s κουάρκ και έτσι έχουν παραδοξότητα S = – 2. Ήταν τα σωματίδια :

Ξ^– (dss),   Ξ⁰ (uss) 

Τα βαρυόνια αυτά έπαιξαν κυρίαρχο ρόλο στην ιδέα ύπαρξης των κουάρκ, αλλά και στην έννοια της παραδοξότητας. 

Παράγονται με συνδυασμένη παραγωγή και διασπώνται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε δύο στάδια. Μετά την πρώτη διάσπαση :

Ξ^– (dss)  ➞  Λ(uds)  +  π^– (ūd)

Ξ⁰ (uss)  ➞  Λ(uds)  +  π⁰ (uū/dƌ)

ακολουθεί σε δεύτερο στάδιο η ασθενής διάσπαση του Λ βαρυονίου που περιγράφεται παραπάνω.

✏️   Συμπλήρωσε το περιεχόμενο των κουάρκ για την αντίδραση της παραπάνω φωτογραφίας και εξέτασε αν έχουμε συνδυασμένη παραγωγή.

Κ^– (sū)  + p (uud)  ➞  Ξ⁰ (     )  +  Κ⁰ (    )  +  π^– (ūd)  +  π⁺ (uƌ)

Η οικογένεια των  παράδοξων βαρυονίων ολοκληρώθηκε με την ανακάλυψη του βαρυονίου Ω^– (sss) που αποτελείται από τρία s κουάρκ και ήταν ανάμεσα στις προβλέψεις που θα πιστοποιούσαν την ύπαρξη των κουάρκ. Η ανακάλυψη του σωματιδίου στα 1964 μέσω της αντίδρασης :

Κ^– (sū)  + p (uud)  ➞  Ω-(sss)  +  Κ⁰ (dŝ)  +  K⁺ (uŝ)

επιβεβαίωσε την ορθότητα αυτής της ιδέας.

Χαρισματικά Βαρυόνια

Το c κουάρκ μπορεί να συνδυαστεί με ελαφρύτερα κουάρκ (u, d, s) και να σχηματίσει τα λεγόμενα χαρισματικά βαρυόνια.
Για κάθε ένα c κουάρκ αυξάνεται το χάρισμα C κατά +1.

 Το c κουάρκ είναι περίπου 1 GeV/c² βαρύτερο από το s κουάρκ, γι’ αυτό ένα χαρισματικό βαρυόνιο όπως το Λ_c (udc), στο οποίο το s κουάρκ έχει αντικατασταθεί από το βαρύτερο c κουάρκ, είναι περίπου 1GeV/c²  βαρύτερο από το “κλασικό” Λ(uds) βαρυόνιο. Το ηλεκτρικό τους φορτίο διαφέρει επίσης. Επειδή το c κουάρκ έχει φορτίο +2e/3, ενώ το s κουάρκ έχει φορτίο – e/3, το φορτίο του Λ_c είναι ίσο με +e (Λ_c⁺). 

Αυτός ο εμπειρικός κανόνας : «αύξησε την μάζα κατά 1GeV/c² και το ηλεκτρικό φορτίο κατά +e» 
μας βοηθά να εκτιμήσουμε γρήγορα τις ιδιότητες των χαρισματικών βαρυονίων σε σχέση με τις ιδιότητες των αντίστοιχών τους παράδοξων βαρυονίων.
Η ονομασία τους, επίσης, ακολουθεί τον συμβολισμό των παράδοξων βαρυονίων :

 Σ_c⁺⁺ (uuc), Σ_c⁺ (udc), Σ_c⁰ (ddc)

Υπάρχουν, επίσης, βαρυόνια που περιέχουν τόσο c όσο και s κουάρκ, όπως είναι τα: Ξ_c⁺ (csu), Ξ_c⁰ (csd) και Ω_c⁰ (ssc) με μάζες γύρω στα 2,5 GeV/c². Επιπλέον, έχουν παρατηρηθεί και βαρυόνια με δύο c κουάρκ με μάζα γύρω στα 3,5GeV/c². Θεωρητικά θα υπάρχει και βαρυόνιο που θα έχει τρία c κουάρκ, αλλά είναι πολύ δύσκολο να απομονωθεί.

Πυθμενικά Βαρυόνια

Τα πυθμενικά βαρυόνια περιέχουν ένα ή περισσότερα b κουάρκ.
Για κάθε ένα b κουάρκ αυξάνεται η πυθμενικότητα Β κατά -1.

Το b κουάρκ έχει φορτίο – e/3, το ίδιο με το φορτίο του s κουάρκ, γι’ αυτό τα πυθμενικά βαρυόνια μοιάζουν στα παράδοξα, μόνο που είναι κατά 4,5 GeV/c²  βαρύτερα. Για παράδειγμα, το Λ_b (udb) βαρυόνιο έχει μάζα περίπου 5,6 GeV/c², ενώ το “κλασικό” Λ(uds) έχει μάζα περίπου 1,1 GeV/c². 

Βαρυόνια με b και s κουάρκ έχουν επίσης ανακαλυφθεί.
Έχουν το ίδιο φορτίο με τα αντίστοιχά τους παράδοξα και είναι βαρύτερα ( Ξ_b^– (dsb), Ξ_b⁰ (usb), Ω_b^– (ssb) ).

Βαρυόνια με περισσότερα από ένα b κουάρκ έχουν μεγάλη μάζα, είναι πολύ δύσκολο να παραχθούν και γνωρίζουμε πολύ λίγα πράγματα για αυτά. Το βαρυόνιο που αποτελείται από τρία b κουάρκ δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί πειραματικά.

Τα b κουάρκ διασπώνται γρήγορα σε c κουάρκ και αυτά με την σειρά τους διασπώνται γρήγορα σε άλλα ελαφρύτερα κουάρκ. Έτσι, τα πυθμενικά βαρυόνια γρήγορα μετατρέπονται σε πιο γνωστά σωματίδια με διαδοχικές διασπάσεις. Για να τα ανιχνεύσουμε, πρέπει να ψάξουμε για το γρήγορο λεπτόνιο που εκπέμπεται στην ασθενή διάσπαση b ➞ c  ή για την παραγωγή χαρισματικών σωματιδίων.