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Dans le Modèle Standard, les baryons sont des particules composites constituées de trois quarks liés entre eux par les gluons (bosons médiateurs de l’interaction nucléaire forte). Avec les mésons, les baryons font partie de la famille des hadrons. Le terme « baryon » vient du grec « βαρύς, barýs » qui signifie « lourd ». En effet, à l’époque où ils furent nommés, la plupart des particules élémentaires connues possédaient une masse inférieure à celle des baryons. 

Les baryons étant composés de trois quarks, des particules élémentaires dotées d’un spin demi-entier, ils possèdent donc également un spin demi-entier. Ainsi, les baryons sont des fermions. À ce titre, ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et sont soumis au principe d’exclusion de Pauli.

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Isospin, étrangeté et nombre baryonique : des propriétés déterminées par les quarks

En 1932, dans le cadre de ses travaux sur la différenciation des baryons, le physicien Werner Heisenberg introduit la notion d’isospin (spin isotopique) en tant que symétrie de l’interaction forte. Heisenberg propose initialement le concept d’isospin afin d’expliquer les similarités entre le proton et le neutron ; deux baryons de charge différente mais de masse quasi-identique.

L’idée d’Heisenberg était de traiter le proton et le neutron comme deux états différents d’une même particule : le nucléon. Aujourd’hui, le modèle de l’isospin est expliqué par la masse similaire des quarks up et down.

Puisque les quarks u et d ont des masses similaires, les baryons qui comportent le même nombre de quarks u et d ont également des masses similaires avec des charges électriques différentes. La propriété d’isospin, notée « I », est toujours utilisée afin de catégoriser les baryons.

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Illustrations de l’isospin pour différentes particules. Crédits : vetopsy
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Les baryons sont également caractérisés par leur étrangeté — un nombre quantique noté « S », positif ou négatif, introduit par les physiciens Murray Gell-Mann et Kazuhiko Nishijima. L’étrangeté correspond à la rapidité de désintégration d’une particule via l’interaction forte. Liée au quark strange, elle se calcule grâce à la formule , avec {\displaystyle {\overline {n}}} le nombre d’antiquarks strange et n le nombre de quarks strange.

Plus la masse d’un baryon est élevée, plus son étrangeté est basse. Puisque l’étrangeté n’est pas conservée par l’interaction faible, tout baryon d’étrangeté non-nulle se désintègre uniquement via l’interaction faible, donc plus lentement (durée de vie plus longue).

etrangete baryons quark strange
Graphique classant les baryons selon leur étrangeté « S ». Avec une étrangeté S = -3, le baryon Oméga Ω−  possède l’étrangeté la plus élevée des baryons. Crédits : Venny85

Le nombre baryonique « B » constitue une autre propriété des baryons. Il s’agit d’un nombre quantique entier invariant correspondant au tiers de la différence entre le nombre de quarks et d’antiquarks composant un baryon. Ce nombre est toujours entier en raison du phénomène de confinement de couleur des quarks.

Pour un baryon, B = 1 ; pour un méson B = 0 ; pour un antibaryon B = -1. Dans le Modèle Standard, le nombre baryonique est strictement conservé, c’est-à-dire qu’il est le même avant et après l’interaction.

Les différents types de baryons

Les baryons peuvent être classés en six familles selon leur isospin (I) et leur composition en quarks. Sur les six saveurs de quarks existantes, seules les quarks up, down, strange, charm et bottom entrent dans la composition des baryons. Les quarks top sont trop massifs, et donc trop instables, pour s’insérer dans une structure hadronique. Les règles de classification sont élaborées par le Particle Data Group (PDG) et déterminent les six familles de baryons suivantes :

  • les nucléons, composés de quarks up et down et d’isospin I = 1/2. Ce sont les protons et les neutrons
  • les baryons Delta (Δ++, Δ+, Δ, Δ), composés de quarks up et down et d’isospin I = 3/2
  • les baryons Lambda (Λ, Λ+c, Λb), composés de quarks up et down et d’un autre quark de génération supérieure (s,c,b), et d’isospin I = 0
  • les baryons Sigma (Σ+, Σ, Σ, Σ++c, Σ+c, Σc, Σ+b, Σb, Σb), composés de quarks up et down et d’un autre quark de génération supérieure (s,c,b), et d’isospin I = 1
  • les baryons Xi (Ξ, Ξ, Ξ+c, Ξc), composés d’un quark de première génération (u,d) et de deux quarks de génération supérieure (s,c,b), et d’isospin I = 1/2
  • les baryons Oméga (Ω, Ωc, Ωb), composés de quarks de génération supérieure (s,c,b) et d’isospin I = 0
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Tableau récapitulatif des baryons et de leurs propriétés. Crédits : Wikipédia

Au-delà de ces baryons, le Modèle Standard prévoit l’existence de baryons exotiques composés de plus de trois quarks. C’est le cas des pentaquarks, des baryons composés de trois quarks et d’une paire quark-antiquark. En 2015, le LHCb a mis en évidence l’existence de deux pentaquarks nommés Pc(4380)+ et Pc(4450)+. En outre, chaque baryon possède un anti-baryon ; l’antiproton pour le proton par exemple.

Baryogenèse : où est passée l’antimatière ?

Les baryons constituent la matière ordinaire composant les objets de notre environnement. Cette dernière est donc appelée « matière baryonique ». Tous les atomes découverts jusqu’à maintenant sont entièrement constitués de baryons (protons et neutrons). À l’inverse, la matière non-baryonique est une matière hypothétique dénuée de baryons, et fait souvent référence à la matière noire.

matiere antimatiere collision
L’énigme de l’asymétrie matière-antimatière est un sujet de recherche important en cosmologie. À travers différentes expériences en physique des particules, les physiciens tentent de comprendre le mécanisme à l’origine de la baryogenèse. Crédits : NEWSCOM

Les baryons revêtent une importance capitale en cosmologie dans plusieurs domaines. Récemment, une solution à l’énigme des baryons manquants dans l’univers a été apportée. Toutefois, l’énigme de l’asymétrie matière-antimatière persiste toujours actuellement et représente un sujet de recherche actif en physique théorique. Selon le modèle du Big Bang, matière et antimatière ont été produites en quantités identiques dans les premiers instants de l’univers ; or, aujourd’hui, nous vivons dans un univers exclusivement composé de matière. Cette « victoire » des baryons sur les anti-baryons est un phénomène nommé « baryogenèse ».

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