Hádron

Hádron ^{(português brasileiro)} ou hadrão ^{(português europeu)} (do grego ἁδρός, transl. hadrós, "forte", "robusto"), na física de partículas, é uma partícula composta, formada por um estado ligado de quarks. Os hádrons, que incluem os bárions e os mésons, mantêm sua coesão interna devido à interação forte.

É uma partícula composta feita por no mínimo 2 quarks unidos pela força nuclear forte. Seriam o análogo às moléculas na interação eletromagnética. A imensa maioria da massa da matéria ordinária provém de dois hadrões, o protão e o neutrão. Não obstante, as massas dos hadrões não se correspondem com a soma das massas dos quarks que os compõem, mas sim da energia de ligação devida à interação forte. Os hadrões estão categorizados principalmente em duas famílias: bariões, formados por um número ímpar de quarks (geralmente por 3), e mesões, feitos por um número par de quarks (geralmente por dois: um quark e um antiquark). Protões e neutrões são exemplos de bariões, enquanto os piões são exemplo de mesão. À parte de estados de 2 e 3 quarks, a interação forte permite estados ligados de mais quarks. Estes estados conhecidos como "hadrões exóticos" e o seu descobrimento e estudo são dos temas do momento na física de partículas. Exemplos de hadrões exóticos teríamos o $T_{c{\bar {c}}1}(4430)^{+}$, um estado formado por 4 quarks (tetraquark) descoberto em 2007 pela colaboração Belle e confirmado como ressonância em 2014 pela colaboração LHCb, e os $P_{c{\bar {c}}}(4380)^{+}$ e $P_{c{\bar {c}}}(4450)^{+}$, dois estados formados por 5 quarks (pentaquarks), ambos os dois descobertos pela colaboração LHCb em 2015

Está estabelecido que praticamente todos os hadrões e antihadrões "livres" (entende-se por livre o que não está ligado em núcleos atómicos) são instáveis e acabarão desintegrando-se com o tempo. A única possível exceção são os protões livres, que aparentemente são estáveis ou, pelo menos, demora-lhe um monte de tempo para se desintegrarem (em certas teorias estima-se a ordem de $10^{34}$ anos). Em comparação, os neutrões livres são as partículas inestáveis mais longevas com uma vida média de 879 segundos.

A física de hadrões é estudada maioritariamente em colisores de hadrões, por exemplo de protões, ou em colisores de iões pesados como chumbo (Pb) ou ouro (Au). O estudo realiza-se mediante a deteção das partículas produzidas pelas interações da colisão. Um processo semelhante ocorre no meio ambiente nas camadas mais externas da atmosfera, onde mesões como os piões são produzidos em colisões de raios cósmicos com partículas da atmosfera exterior.

Propriedades

De acordo com o modelo de quarks, as propriedades de um hadrão são determinadas pelos seus quarks de valência. Um próton por exemplo é formado por dois quarks up (cada um com carga eléctrica $2/3|e|$) e um quark down (com carga eléctrica $-1/3|e|$). A carga conjunta dos 3 quarks de valência é portanto +1, a carga do protão. Apesar do quark constituinte ter também uma carga de cor (nada a ver com cor visual), uma das propriedades da interação forte, designada confinamento requer que todo o composto não tenha carga de cor residual. Ou seja os hadrões não podem ter cor. Há duas formas de conseguir isto: Três quarks de diferentes cores, ou um quark de uma cor e o anti-quark com a anti-cor correspondente. Hadrões baseados na primeira forma são chamados bárions enquanto que os baseados na segunda chamam-se mesões ^{português europeu} ou mésons ^{português brasileiro}.

Como todas as partículas subatómicas, aos hádrons são atribuídos números quânticos correspondentes à sua representação no grupo de Poincaré $J^{PC}(m)$ em que $J$ é o número quântico spin, $P$ a paridade intrínseca, $C$ a conjugação de carga e $m$ a massa da partícula. Observa-se que a massa do hádron, e não a dos quarks que o compõem, provém da energia associada à interacção forte, graças ao princípio da equivalência massa-energia. Os hádrons também possuem números quânticos de sabor, como isospin ou estranheza. Todos os quarks possuem um número quântico conservado chamado número bariónico, B, que é +1/3 para os quarks e -1/3 para os antiquarks. Isto implica que os bariões têm $B=1$ e os mesões têm $B=0$.

Os hadrões têm estados excitados designados ressonâncias. Por exemplo, para uma dada combinação de quark e antiquark, pode existir uma família de hádrõess que diferem nos seus valores de $J^{PC}(m)$. As ressonâncias decaem num curto espaço de tempo (10−24 segundos) devido à interacção forte. Noutras fases da matéria QCD os hadrões podem desaparecer. Por exemplo, a temperaturas muito elevadas e altas pressões, salvo se existir uma grande diversidade de sabores de quarks, a teoria da cromodinâmica quântica (QCD) prediz que quarks e gluões interagem fracamente e perdem o confinamento no interior dos hadrões. Esta propriedade, designada liberdade assimptótica, foi confirmada experimentalmente em colisionadores de protons a níveis de energia entre o GeV e o TeV.

Classificação

Hádrons podem ser classificados pela sua composição e pelo seu spin:

• Bárions são compostos de três quarks e têm spin semi-inteiro, caracterizando-se como férmions. Exemplos: protão, neutrão e hiperãos.
• Mesões são compostos de um quark e outro antiquark e são bosões, ou seja, têm spin inteiro. Exemplos: píons e káons.
• Hádrons exóticos possuem um número diferente de quarks que os hádrons ordinários:
  • Um bárion exótico é composto de um número ímpar maior que três de quarks. Exemplo: pentaquark.
  • Um mesão exótico contém mais de um par quark-antiquark. Exemplo: tetraquark.
  • Um mesão híbrido consiste de no mínimo um par quark-antiquark e ao menos um gluão que não seja virtual.
  • Uma bola de gluões não contém quark algum, sendo composta apenas de gluões. Estas entidades misturam-se facilmente com mesões ordinários, tornando-se de difícil identificação.