Barioni
I barioni sono una classe di particelle subatomiche composte da tre quark.
Queste particelle sono parte della famiglia dei fermioni, che significa che hanno spin semi-intero e obbediscono al principio di esclusione di Pauli.
I barioni più familiari sono i protoni e i neutroni, che formano i nuclei degli atomi. Ogni protone è composto da due quark up e un quark down, mentre ogni neutrone è composto da due quark down e un quark up.
Le proprietà dei barioni, come la loro massa e carica, dipendono dai tipi di quark che li compongono e dalle forze forti che li tengono uniti.
La fisica dei barioni è studiata nell'ambito della cromodinamica quantistica (QCD), che è la teoria che descrive le interazioni forti, una delle quattro forze fondamentali della natura.
Oltre ai protoni e neutroni, esistono molti altri barioni meno stabili, che sono solitamente prodotti in collisioni ad alta energia in acceleratori di particelle o in fenomeni astrofisici. Questi barioni più esotici hanno generalmente tempi di vita molto brevi e decadono in particelle più leggere attraverso vari processi di decadimento.
Numero barionico
Il numero barionico ( $B$ ) è una quantità quantistica che rappresenta il numero netto di barioni presenti in un sistema.
- ogni barione (come protoni e neutroni) ha $B = +1$
- ogni antibarione ha $B = -1$
- tutte le altre particelle (leptoni, mesoni, fotoni, ecc.) hanno $B = 0$
Una caratteristica fondamentale dei barioni è che il loro numero complessivo si conserva in tutte le interazioni conosciute.
$$ B_{\text{iniziale}} = B_{\text{finale}} $$
Questo principio, noto come conservazione del numero barionico, afferma che in una reazione o decadimento il numero di barioni meno il numero di antibarioni resta costante.
Esempio
Un esempio classico è il decadimento beta negativo del neutrone:
$$ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e $$
In questa trasformazione il neutrone $(B = 1)$ decade in un protone $(B = 1)$, più un elettrone e un antineutrino elettronico, entrambi con $B = 0$.
Il numero barionico totale resta quindi invariato:
$$ B_{\text{iniziale}} = 1 \quad \Rightarrow \quad B_{\text{finale}} = 1 + 0 + 0 = 1 $$
Questo principio è essenziale per spiegare la stabilità della materia e il bilancio delle particelle nei processi nucleari.
Antibarioni
Gli antibarioni sono le antiparticelle dei barioni. Mentre un barione è composto da tre quark, un antibarione è formato da tre antiquark.
Ad esempio, l’antiprotone ($\bar{p}$) è composto da due antiquark up ($\bar{u}$) e un antiquark down ($\bar{d}$). L’antineutrone è formato da due antiquark down ($\bar{d}$) e un antiquark up ($\bar{u}$).
Come i barioni, anche gli antibarioni appartengono alla famiglia dei fermioni e hanno spin semi-intero, ma possiedono cariche opposte rispetto alle loro controparti.
Per convenzione, a ciascun antibarione è assegnato numero barionico $B = -1$.
La legge di conservazione del numero barionico impone che barioni e antibarioni vengano sempre creati o distrutti in coppia, in modo che il bilancio complessivo resti invariato.
L'instabilità degli antibarioni
Gli antibarioni sono componenti fondamentali dell’antimateria, insieme ai positroni (antielettroni) e agli antineutrini. Quindi, sono instabili nella materia ordinaria.
Quando un antibarione (es. un antiprotone) incontra un barione (es. un protone), le due particelle si annichilano trasformandosi in altre particelle, tipicamente mesoni e fotoni.
$$ p + \bar{p} \;\;\rightarrow\;\; \pi^+ + \pi^- + \pi^0 $$
Per questo motivo gli antibarioni non sopravvivono a lungo nell’universo visibile, e vengono osservati soprattutto in collisioni ad alta energia negli acceleratori di particelle o in fenomeni astrofisici estremi.
E così via.
