Baryons
Les baryons sont des particules subatomiques composées de trois quarks.
Ils appartiennent à la famille des fermions, ce qui signifie qu’ils possèdent un spin demi-entier et obéissent au principe d’exclusion de Pauli.
Les baryons les plus familiers sont les protons et neutrons, qui constituent ensemble les noyaux atomiques. Un proton est formé de deux quarks up et d’un quark down, tandis qu’un neutron est constitué de deux quarks down et d’un quark up.
Les propriétés d’un baryon - telles que sa masse, sa charge électrique ou encore son comportement magnétique - dépendent de la combinaison précise des quarks qui le composent et de la dynamique de l’interaction forte qui les maintient liés.
L’étude des baryons relève de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit l’interaction forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature.
Outre les protons et les neutrons, on connaît une grande variété de baryons moins stables. Ils apparaissent généralement lors de collisions à très haute énergie dans les accélérateurs de particules ou dans des environnements astrophysiques extrêmes. Les baryons exotiques ont une durée de vie extrêmement courte et se désintègrent rapidement en particules plus légères par divers canaux de désintégration.
Nombre baryonique
Le nombre baryonique ( $B$ ) est un nombre quantique qui exprime le bilan net de baryons dans un système.
- chaque baryon (comme les protons ou les neutrons) porte $B = +1$
- chaque antibaryon porte $B = -1$
- toutes les autres particules (leptons, mésons, photons, etc.) portent $B = 0$
Une propriété fondamentale des baryons est que leur nombre total se conserve dans toutes les interactions connues.
$$ B_{\text{initial}} = B_{\text{final}} $$
Cette règle, appelée loi de conservation du nombre baryonique, stipule que dans toute réaction ou tout processus de désintégration, la différence entre le nombre de baryons et d’antibaryons demeure invariante.
Exemple
Un exemple classique est la désintégration bêta négative d’un neutron :
$$ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e $$
Dans ce processus, le neutron $(B = 1)$ se transforme en proton $(B = 1)$, accompagné d’un électron et d’un antineutrino électronique, tous deux avec $B = 0$.
Le nombre baryonique total reste donc inchangé :
$$ B_{\text{initial}} = 1 \quad \Rightarrow \quad B_{\text{final}} = 1 + 0 + 0 = 1 $$
Cette loi de conservation est essentielle pour comprendre la stabilité de la matière et assurer le suivi des particules dans les processus nucléaires et subnucléaires.
Antibaryons
Les antibaryons sont les antiparticules des baryons. Alors qu’un baryon est composé de trois quarks, un antibaryon se compose de trois antiquarks.
Par exemple, l’antiproton ($\bar{p}$) contient deux antiquarks up ($\bar{u}$) et un antiquark down ($\bar{d}$). L’antineutron, quant à lui, est constitué de deux antiquarks down ($\bar{d}$) et d’un antiquark up ($\bar{u}$).
Comme les baryons, les antibaryons appartiennent à la famille des fermions et possèdent donc un spin demi-entier. Ils se distinguent cependant par des charges opposées à celles de leurs homologues baryoniques.
Par convention, tout antibaryon se voit attribuer un nombre baryonique $B = -1$.
La conservation du nombre baryonique impose que baryons et antibaryons soient toujours créés ou annihilés par paires, de manière à ce que le bilan global reste inchangé.
L’instabilité des antibaryons
Les antibaryons, aux côtés des positrons (antélectrons) et des antineutrinos, constituent les éléments fondamentaux de l’antimatière. Ils ne peuvent donc subsister de façon stable dans la matière ordinaire.
Lorsqu’un antibaryon (par exemple, un antiproton) rencontre un baryon (comme un proton), les deux s’annihilent en convertissant leur masse en d’autres particules, typiquement des mésons et des photons.
$$ p + \bar{p} \;\;\rightarrow\;\; \pi^+ + \pi^- + \pi^0 $$
C’est pourquoi les antibaryons ont une existence éphémère dans l’univers visible. On les observe principalement lors de collisions à haute énergie dans les accélérateurs de particules ou au cours de phénomènes astrophysiques extrêmes.
L’exploration du riche et complexe univers des baryons se poursuit…
