HADRONS

Baryons légers

Les baryons les plus légers sont le proton et le neutron. Les baryons plus lourds se désintègrent tous – suivant des processus plus ou moins directs – en un proton accompagné de diverses particules. Le contenu en quarks et en gluons des baryons est analysé en termes de superposition d'états : chacun de ces états contient trois quarks (dits de valence) et un nombre variable de gluons et de paires quark-antiquark. Si un des quarks de valence est le quark s (respectivement c, b), on dit que le baryon est étrange (respectivement charmé, beau). La théorie des groupes permet de regrouper les baryons en multiplets. On connaît actuellement plus de 100 baryons.

Les baryons ordinaires, dont les quarks de valence sont les quarks u, d ou s, sont classifiés selon les représentations issues du groupe de symétrie approximative SU(3). Les quarks forment un triplet (noté 3) et un état de trois quarks appartient à une représentation issue de la décomposition du produit des trois représentations, qui s'écrit :

3 × 3 × 3 = 10 + 8 + 8 + 1.

Les baryons se groupent ainsi en octets (8), en décuplets (10) et en singulets (1). Si la symétrie SU(3) était exacte, les particules d'un multiplet auraient mêmes masses, même spin et même état de parité. Comme cette symétrie n'est qu'approchée, les masses ne sont pas identiques mais voisines, comme le sont les masses des quarks u, d et s. Le proton et le neutron appartiennent au premier octet, avec les hypérons Λ(1116), Σ(1193) et Ξ (1320) [les nombres entre parenthèses indiquent les masses, en MeV, des particules, fig. 1]. Le Σ existe sous trois états de charge (Σ⁺, Σ^—, Σ⁰), le Ξ sous deux états de charge (Ξ^—, Ξ⁰) et le Λ sous un seul état de charge nulle. Ces huit particules ont un spin 1/2 et un nombre quantique de parité positif. Le multiplet suivant est un décuplet contenant les particules de spin 3/2 et de parité positive : quatre baryons Δ(1232) : Δ⁺⁺, Δ⁺, Δ^—, Δ⁰, trois baryons Σ(1385) : Σ⁺, Σ^—, Σ⁰, deux baryons Ξ(1530) : Ξ^—, Ξ⁰ et le baryon construit à partir de trois quarks s : Ω^—(1672). La découverte expérimentale de cet état Ω prédit par le modèle des quarks eut une importance historique certaine. D'autres baryons de spins 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2 ont été découverts avec des masses plus élevées (jusque vers 2 500 MeV) et ils semblent tous se grouper en octets, décuplets ou singulets.

Baryons charmés

La découverte de l'existence du quark c en 1974 a imposé d'élargir les règles de regroupement des baryons selon les représentations du groupe SU(4). Mais la grande différence de masse entre le quark c et les trois quarks plus légers viole encore davantage la symétrie déjà approximative sous-jacente. On a observé une douzaine de baryons charmés, le plus léger, noté Λ_c(2286), se désintègre par interaction faible en un proton et quelques mésons. Sa vie moyenne est de l'ordre de 200 femtosecondes (1 femtoseconde = 10^—15 s). Il n'y a aucune raison d'exclure l'existence de baryons doublement ou triplement charmés, c'est-à-dire contenant deux ou trois quarks c de valence. Mais on comprend que leur production et leur détection seront difficiles.

Baryons beaux

On a observé au moins un baryon contenant un quark b de valence. De masse égale à 5 620 MeV, cette particule notée Λ_b(5620) a une vie moyenne de l'ordre de la picoseconde (10^—12 s), ce qui s'explique par le fait qu'elle ne peut se désintégrer que par interaction faible, préférentiellement vers un baryon charmé. Aucun physicien ne doute de l'existence d'autres baryons beaux, mais les mécanismes de production de quarks lourds sont très peu efficaces, ce qui rend très difficile leur étude expérimentale détaillée.

Baryons exotiques

Comme nous l'avons dit plus haut, le modèle des quarks constituants n'est qu'une représentation imparfaite des états liés de quarks et de gluons. Ainsi certains baryons pourraient ne pas avoir des nombres quantiques compatibles avec un ensemble de trois quarks de valence. Une équipe japonaise a ainsi cru observer en 2004, dans l'état final d'une collision entre un photon et un proton, la trace d'un baryon qui se désintégrait en un neutron et un méson K⁺, ce qui lui interdit d'être décrit par trois quarks de valence, mais au contraire lui impose de contenir un antiquark étrange et quatre quarks non étranges de valence ; c'est ce qu'on appelle un « pentaquark ». Après bien des rebondissements dans les analyses de diverses expériences, l'existence de ce baryon exotique n'est pas confirmée. Cependant, certains modèles théoriques prédisent l'existence de tels pentaquarks, ainsi que celle de baryons hybrides, dont l'état de valence serait constitué de trois quarks et d'un gluon.