Particule Delta
Le baryon delta (Δ) appartient à la famille des baryons et se situe parmi les plus légers d’entre eux. Il est constitué de trois quarks légers (up $u$ et down $d$), les mêmes qui forment les protons et les neutrons.
Contrairement à ces derniers, dont le spin est $1/2$, les baryons Δ possèdent un spin $3/2$.
On les interprète souvent comme un état excité du nucléon. Bien qu’ils partagent le même contenu en quarks ($u$ et $d$), la différence tient à l’orientation des spins : dans les baryons delta, ceux-ci sont alignés, ce qui conduit à un spin total de $3/2$.
La famille delta forme un quadruplet d’isospin ($I = 3/2$) avec quatre états de charge distincts :
- $\Delta^{++}$ : $uuu$
- $\Delta^{+}$ : $uud$
- $\Delta^{0}$ : $udd$
- $\Delta^{-}$ : $ddd$
Ce schéma rassemble l’ensemble des combinaisons possibles des deux quarks légers ($u$, $d$).
Note. Le baryon Δ illustre comment la dynamique interne des quarks - en particulier l’alignement des spins et la symétrie d’isospin - peut engendrer des états excités plus massifs que les nucléons. Il a par ailleurs constitué l’une des premières confirmations expérimentales de la structure en quarks des baryons.
Propriétés
Les principales propriétés de la particule Delta sont les suivantes :
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Type | Baryon (résonance) |
| Famille | Hyperons non étranges (uniquement $u$, $d$) |
| Contenu en quarks | Combinaisons de $u$ et $d$ |
| Charge électrique | $+2e, +1e, 0, -1e$ |
| Spin | $3/2$ |
| Isospin | $3/2$ |
| Masse | $\sim 1232$ MeV/$c^2$ |
| Durée de vie | $\sim 6 \times 10^{-24}$ s (extrêmement brève) |
| Interaction | Forte |
Désintégration
Les baryons delta ($\Delta$) sont des résonances de très courte durée de vie. Ils se désintègrent quasi instantanément par interaction forte, en produisant un nucléon (proton $p$ ou neutron $n$) accompagné d’un pion ($\pi$).
Considérons, par exemple, le $ \Delta^0 $, composé de trois quarks : $udd$.
Lors d’une désintégration forte, l’un des quarks émet un gluon ($ g $), qui se matérialise en une paire quark-antiquark $u\bar u$.
Le système contient alors les quarks initiaux $u, d, d$ auxquels s’ajoute la paire $u\bar u$.
Le quark $u$ supplémentaire remplace l’un des $d$ du baryon, transformant le triplet en $uud$, soit un proton.
Le quark $d$ éjecté s’associe avec le $\bar u$ de la paire, formant un pion négatif ($\pi^- = d\bar u$).
Le processus peut s’écrire ainsi : $$ \Delta^0 (udd) \;\;\longrightarrow\;\; p(uud) + \pi^-(d\bar u).
$$
Note. Le gluon joue ici le rôle de déclencheur : en produisant une paire quark-antiquark, il permet au système de se réorganiser en états stables, ce qui explique la rapidité de la désintégration forte du $\Delta^0$. Il est remarquable que le $\Delta^0$ possède la même composition en quarks que le neutron ($udd$). Toutefois, le neutron ne peut subir une telle désintégration forte en proton et pion, car sa masse est inférieure.
Voici d’autres canaux de désintégration forte des baryons delta :
$\Delta^{++} \to p + \pi^+$
$\Delta^{+} \to p + \pi^0 \quad$ ou $\quad n + \pi^+$
$\Delta^{0} \to n + \pi^0 \quad$ ou $\quad p + \pi^-$
$\Delta^{-} \to n + \pi^-$
Note. Dans de très rares cas, un baryon $ \Delta $ peut également se désintégrer par l’interaction faible. Cette voie est fortement réprimée et presque toujours éclipsée par la désintégration forte dominante. Par exemple, le $ \Delta^0 $ peut se transformer en proton en émettant un boson $ W^- $, lequel se désintègre ensuite en pion négatif : $\Delta^{0} \to p + \pi^-$.
Et ainsi de suite.
