બૅરિયૉન : ભારે પેટા પારમાણ્વિક કણો. ન્યૂક્લિયૉન, ફર્મિયૉન અને હાઇપેરૉનને સામૂહિક રીતે બૅરિયૉન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તે મેસૉનનું ઉત્સર્જન કરીને ક્ષય (decay) પામે છે. ન્યૂક્લિયૉન એટલે પરમાણુની ન્યૂક્લિયસમાં રહેલા પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન કણો. ફર્મિયૉન એટલે કણોનો એવો સમૂહ જે અર્ધપૂર્ણાંક પ્રચક્રણ (half integer spin) ધરાવે છે. આ સમૂહ ફર્મિ–ડિરાક આંકડાશાસ્ત્રને અનુસરે છે. હાઇપેરૉન પણ ભારે કણો છે, જે કણ-પ્રવેગકો (particle accelerators) દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. વિજ્ઞાનીઓએ ચાર પ્રકારના હાઇપેરૉન શોધી કાઢ્યા છે. આવા હાઇપેરૉનનો જીવનકાળ 10–3 સેકન્ડથી 10–9 સેકન્ડ સુધીનો જાણવા મળ્યો છે. આથીય ઓછો જીવનકાળ ધરાવતા હાઇપેરૉન શોધાયા છે. શરૂઆતના ચાર હાઇપેરૉનને લેમ્બડા (λ); સિગ્મા (Σ); પ્સાઈ (
) અને ઓમેગા (Ω) નામો આપવામાં આવ્યાં છે.
હલકામાં હલકો બૅરિયૉન પ્રોટૉન છે. આવા બૅરિયૉનનું દળ લગભગ 1,836 me જેટલું હોય છે. જ્યાં me ઇલૅક્ટ્રૉનનું દળ છે. ન્યૂટ્રૉનનું દળ લગભગ 1,839 me જેટલું હોય છે એટલે કે બૅરિયૉનનું દળ પ્રોટૉનના દળ જેટલું અથવા તો તેથી વધારે હોય છે.
મેસૉન જેવા બૅરિયૉન પ્રબળ પ્રક્રિયામાં ભાગ લે છે. પ્રબળ આંતરક્રિયા કરતા કણોને હેડ્રોન્સ કહે છે. બૅરિયૉન સંખ્યાના નામે જાણીતી ક્વૉન્ટમ સંખ્યા વડે બૅરિયૉનને વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. બૅરિયૉન માટે આ સંખ્યા b = 1 અને પ્રતિબૅરિયૉન માટે β = –1 લેવામાં આવે છે. આ સિવાયના બીજા બધા જ કણો માટે β = 0 લેવાય છે.
પ્રોટૉન સિવાયનો બૅરિયૉન બે કે વધુ કણોમાં ક્ષય પામે છે; જેમ કે, ન્યૂક્લિયસમાંથી દૂર કરાયેલ ન્યૂટ્રૉન પ્રોટૉન; ઇલેક્ટ્રૉન અને ન્યૂક્લિયૉન જેવા કણોમાં ક્ષય પામે છે. બૅરિયૉનનો ક્ષય થાય છે ત્યારે તે તેનાથી હલકો બૅરિયૉન પેદા કરે છે. આ રીતે કણો કણો વચ્ચે આંતરક્રિયા થતી હોય છે, ત્યારે બૅરિયૉનની કુલ સંખ્યા અચળ રહે
સારણી 1 : જાણીતા સ્થાયી અને અર્ધસ્થાયી બૅરિયૉન અને તેમના ગુણધર્મો
| બૅરિયૉન | દળ MeVમાં | પ્રચક્રણ સમાનતા | વિલક્ષણતા | મોહકતા | જીવનકાળ |
| p | 938.280 ± 0.003 | 1⁄2+ | 0 | 0 | >1039 |
| n | 939.573 ± 0.003 | 1⁄2+ | 0 | 0 | 898 ± 16 |
| ∧ | 1,115.60 ± 0.05 | 1⁄2+ | –1 | 0 | 2.63 ± 0.02 × 10–10 |
| ∑+ | 1,189.36 ± 0.06 | 1⁄2+ | –1 | 0 | 8.0 ± 0.04 × 10–11 |
| ∑0 | 1,192.46 ± 0.08 | 1⁄2+ | –1 | 0 | 6 ± 1 × 10–20 |
| ∑– | 1,197.34 ± 0.05 | 1⁄2+ | –1 | 0 | 1.48 ± 0.01 × 10–10 |
 |
1,314.9 ± 0.6 | 1⁄2+ | –2 | 0 | 2.9 ± 0.1 × 10–10 |
 |
1,321.3 ± 0.15 | 1⁄2+ | –2 | 0 | 1.64 ± 0.02 × 10–10 |
| W– | 1,672.5 ± 0.3 | (3⁄2+?) | –3 | 0 | 0.82 ± 0.03 × 10–10 |
| Λc | 2,282 ± 3 | (3⁄2+?) | 0 | 1 | 2.3 ± 0.8 × 10–13 |
છે. આને બૅરિયૉનની સંખ્યાના સંરક્ષણનો નિયમ કહે છે. પ્રોટૉનનું આયુષ્ય 1039 કે 1040 સેકન્ડ જેટલું અંદાજાયેલું છે. એટલે કે તે ક્ષય પામતો નથી એમ કહી શકાય. પ્રોટૉનના દળ કરતાં ઓછું દળ ધરાવતો બૅરિયૉન શક્ય નથી. પ્રોટૉનનો ક્ષય થતો હોત તો કાયમી પરમાણુ શક્ય ન હોત અને પ્રોટૉનનો ક્ષય થતો નથી એ ઘટનાને કારણે પદાર્થો એકબીજામાં વિધ્વંસ (collapse) પામતા નથી.
બૅરિયૉન ચુસ્ત રીતે બદ્ધ હોય તેવા ત્રણ ક્વાર્કનો બનેલો હોવાનું નિશ્ચિતપણે મનાય છે. ક્વાર્ક ન્યૂક્લિયૉનનો પેટા-કણ છે. આ સાથે પ્રતિબૅરિયૉન ત્રણ પ્રતિ-ક્વાર્કનો બનેલો હોય છે. ક્વાર્ક 2⁄3e અથવા –1⁄3e વિદ્યુતભાર ધરાવતો હોય છે. જ્યાં e ઇલેક્ટ્રૉનનો વિદ્યુતભાર છે, એટલે કે ક્વાર્કનો વિદ્યુતભાર eના અપૂર્ણાંકમાં હોય છે. 2⁄3e વિદ્યુતભાર ધરાવતા ક્વાર્કને u(up) અને –1⁄3e વાળા ક્વાર્કને d (down) ક્વાર્ક કહે છે.
સારણી 2 : સ્થાપિત ક્વાર્કના ગુણધર્મો
| ક્વાર્કનો પ્રકાર | ઊર્ધ્વ | અધ: | વિલક્ષણ | મોહિત | તલ |
| વિદ્યુતભાર | 2⁄3 | –1⁄3 | –1⁄3 | –1⁄3 | –1⁄3 |
| દળ |  0.01 |
0.01 |
0.5 |
1.5 |
4.7 |
| સુવાસ | I3 = +1⁄2 | I3 = –1⁄2 | s = –1 | c = +1 | b = +1 |
પ્રત્યેક ક્વાર્કને પ્રતિક્વાર્ક હોય છે, જે વિરુદ્ધ પ્રકારનું ‘ફ્લેવર’-મૂલ્ય અને નૈજ સમાનતા ધરાવે છે.
પ્રબળ આંતરક્રિયા કરતા હેડ્રૉન કણો B = +1 બૅરિયૉન સંખ્યા ધરાવતા હોય છે. પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન સર્વસામાન્ય બૅરિયૉન કણો છે. પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન એ ન્યૂક્લિયૉન દ્વિક (doublet) N = (p, n)ની બે અવસ્થાઓ (સ્થિતિઓ) છે. કોઈ ખાસ સ્થિતિ માટે બૅરિયૉન સંખ્યા ક્ષયપ્રક્રિયા અથવા ઉત્પત્તિ અથવા આ બંનેને આધારે તારવી શકાય છે; કારણ કે સંરક્ષણના નિયમ મુજબ બૅરિયૉનની સંખ્યા અચળ હોય છે. તેમાં ક્વચિત્ અપવાદની શક્યતા રહેલી છે.
1970 બાદ હેડ્રૉન કણો પરત્વેનો વૈજ્ઞાનિક અભિગમ બદલાઈ ગયો છે.
અત્યારે એ હકીકત સ્વીકૃત બની ચૂકી છે કે બૅરિયૉન કણો સંયુક્ત રચના છે. તે ½ પ્રચક્રણ ધરાવતા q–ક્વાર્ક અને તેમને અનુરૂપ 
પ્રતિક્વાર્ક અને થોડીક સંખ્યામાં ગ્લુઑન કણો ધરાવે છે. ગ્લુઑન એ ક્વાર્ક અને પ્રતિક્વાર્કને જકડી રાખતો મધ્યવર્તી ક્ષેત્રનો ક્વૉન્ટમ છે. ગ્લુઑન કણોને બંધનમાં રાખી હેડ્રૉનની રચના કરે છે. ક્વાર્ક 
છે. ગ્લુઑન માટે β = 0 છે. આ રીતે બૅરિયૉન ત્રણ ક્વાર્ક સહિત થોડીક સંખ્યામાં ક્વાર્ક પ્રતિક્વાર્ક 
જોડ અને ગ્લુઑન ધરાવે છે. આ બધા ક્વાર્ક સારણી 2માં આપ્યા છે. પ્રોટૉનના વિદ્યુતભારની સાપેક્ષ તેમને અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર આપવામાં આવ્યો છે.
હેડ્રૉનનો ક્વાર્ક સિદ્ધાંત ક્વૉન્ટમ વર્ણયાંત્રિકી(quantum chromo- dynamics – QCD)ના સ્વરૂપે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે. ક્વાર્કની પ્રબળ આંતરક્રિયા માટે પ્રમાપ સિદ્ધાંત (guage theory) છે, જે સંમિતિ(symmetry)ની પરિકલ્પના ઉપર રચાયેલો છે. પ્રત્યેક ક્વાર્કને ત્રણ વર્ણસ્થિતિઓ (colour states) હોય છે. સામાન્ય રીતે ક્વાર્ક ઉપર વર્ગસૂચક સંકેતો r (=red), g (=green) અને b (=blue) વડે દર્શાવવામાં આવે છે. આ ત્રણ સંકેતોને ત્રણ અવકાશીય અક્ષોને અનુરૂપ ગણવામાં આવે છે. અહીં ગ્લુઑન સંમિતિ-સિદ્ધાંતનો પ્રમાપ કણ (guage particle) છે. જે રીતે ફોટૉન એ ક્વૉન્ટમ વીજગતિશાસ્ત્ર(quantum electrodynamics – QED)નો પ્રમાપ-કણ છે, તે રીતે ગ્લુઑન QCDનો પ્રમાપ-કણ છે; પણ ફોટૉનને વિદ્યુતભાર નથી જ્યારે ગ્લુઑનને (32–1) = 8 વર્ણઘટકો છે. તેથી તે વર્ણ-અષ્ટક (octet) કહેવાય છે.
ગ્લુઑન-ક્ષેત્ર ખુદ પોતાની સાથે આંતરક્રિયા કરે છે. તેથી QCDમાં અરૈખિકતા (non-linearity) સામેલ થાય છે. QEDમાં તે પ્રમાણે થતું નથી. અરૈખિકતા એ QCD સાથે ખાસ આનુષંગિકતા ધરાવે છે. તે અનંતસ્પર્શી (asymptotic) સ્વાતંત્ર્ય તરફ દોરી જાય છે. આવી સ્વતંત્રતાને કારણે ગ્લુઑન અને વર્ણપ્રવાહ(colour-current)નું યુગ્મન ટૂંકા અંતરે શૂન્ય ભણી જાય છે. QCDની પ્રાગુક્તિઓ અને ઉચ્ચ-ઊર્જા-સંઘાત પ્રક્રિયાઓની આનુભાવિક માહિતીઓની સુસંગતતા માટે પણ આવી સ્વતંત્રતા આવશ્યક છે.
આકૃતિ 1 : બૅરિયૉનની અષ્ટક સ્થિતિઓ
બંધકારક સિદ્ધાંત એ QCDનું મહત્વનું લક્ષણ છે. આ લક્ષણ ર્દઢતાપૂર્વક જણાવે છે કે માત્ર વર્ણ-એકલ (colour-singlet) અવસ્થાને જ પરિમિત (finite) ઊર્જા હોય છે. આમાંથી એટલું સ્પષ્ટ ફલિત થાય છે કે ક્વાર્ક કે ગ્લુઑન મુક્ત અવસ્થામાં અસ્તિત્વ ધરાવી શકતા નથી. તેનું કારણ એ છે કે ક્વાર્ક એ વર્ણ-ત્રિક અને ગ્લુઑન વર્ણ-અષ્ટક છે. જેમ ફોટોન શૂન્ય દળ ધરાવે છે તેમ પ્રમાપ-કણો માટે પણ શૂન્ય દળ અપેક્ષિત છે. આથી ગ્લુઑનને શૂન્યદળ છે અને સારણી 2માં દર્શાવેલ ક્વાર્ક (u, d) માટે 10 MeVના ક્રમનું દળ ગણવામાં આવ્યું છે; પણ હાઇડ્રોજન-સ્થિતિઓમાં જ આ મૂલ્યનાં દળ અસરકારક બને છે.
આ માન્યતાના અનુસંધાનમાં હજુ સુધી મુક્ત ગ્લુઑન અથવા ક્વાર્કને પ્રાયોગિક પુષ્ટિ મળી નથી. આ માન્યતા QCDમાંથી તારવી શકાશે એમ કેટલાક સિદ્ધાંતવાદીઓ સમજે છે.
બૅરિયૉનની અષ્ટક સ્થિતિઓ આકૃતિ 1માં દર્શાવી છે. આડા અક્ષ ઉપર સમભારિક પ્રચક્રણ (isospin) I3 અને ઊભા અક્ષ ઉપર Y = (1B + S) છે. અહીં વિદ્યુતભારસંખ્યા 
છે. તથા ત્રણ સંમિતીય અક્ષો છે. સમભારિક પ્રચક્રણ મૂળભૂત કણો સાથે સંકળાયેલી ક્વૉન્ટમ સંખ્યા છે. હેડ્રૉનને બે ક્વૉન્ટમ સંખ્યાઓ I અને I3 આપવામાં આવી છે.
Iનું મૂલ્ય 
…… હોય ત્યારે તેને સમભારિક પ્રચક્રણ કહે છે. બહુક(multiplet)માં રહેલા બધા જ કણો માટે તે સમાન હોય છે. હેડ્રૉન માત્ર વિદ્યુતભારની બાબતે જુદા પડતા હોય ત્યારે તે બહુકમાં છે એમ કહેવાય.
I3નું મૂલ્ય – I, –I + 1; –I + 2…. I – 1 ; I હોય છે. ન્યૂક્લિયૉન દ્વિક (p, n), પાઇ મેસૉન ત્રિક (π¯; π0; π+) અને સિગ્મા ત્રિક (∑–; ∑0; ∑+) – એ સમભારિક પ્રચક્રણનાં ઉદાહરણ છે.
જ્યારે પ્રચંડ ઊર્જા ધરાવતા પાઈ-મેસૉન (π–) અને પ્રોટૉન વચ્ચે સંઘાત થાય છે અથવા પ્રોટૉન વડે K– નું શોષણ થાય છે. ત્યારે ∧ અને ∑ હાઇપેરૉનનું નીચેની પ્રક્રિયા મુજબ નિર્માણ થાય છે.
10–12 સેકન્ડથી વધુ જીવનકાળ ધરાવતા ઋણ વિદ્યુતભારિત કણો સંઘનિત (condensed) દ્રવ્યમાં પસાર થતાં સ્થિર થઈ જાય છે. ત્યારે તે પ્રથમ તો પરમાણુની બાહ્ય કક્ષા વડે પ્રગ્રહણ પામે છે અને ત્યારબાદ અંદરની કક્ષામાં પડે છે. આ દરમિયાન ફોટૉનના ઉત્સર્જન સાથે ઓઝે ઇલેક્ટ્રૉન બહાર પડે છે. અંતે તે (ઇલેક્ટ્રૉન) પારમાણ્વિક ન્યૂક્લિયસ વડે શોષાય છે. પરિણામે ન્યૂક્લિયસ તૂટતાં ન્યૂક્લિયસ તારક (star) મળે છે.
ન્યૂક્લિયર ફોટોગ્રાફિક પાયસ(emulsion)માં ∑– કણ ઘણી વાર અટકી જાય છે અને વિદ્યુતભારિત કણોનું ઉત્સર્જન થતું નથી. ર્દશ્યમાન તારક નાના હોય છે. ઘણું કરીને તેમની ઊર્જા 10થી 20 MeV જેટલી હોય છે અને અવારનવાર હલકી Λ– હાઇપેરૉન ન્યૂક્લિયસનું ઉત્સર્જન કરે છે. આ અવલોકિત ઘટના 
પ્રક્રિયાઓની કાર્યવિધિ સાથે સુસંગત છે.
ભવ્ય એકીકૃત સિદ્ધાંત(Grand Unified Theory – GUT)માં સંક્રાતિ q ક્વાર્ક → l (લૅપ્ટૉન) શક્ય છે, કારણ કે આ સિદ્ધાંત લૅપ્ટૉન અને ક્વાર્કને સામાન્ય બહુકમાં સમાવે છે.
બૅરિયૉન સંરક્ષણના નિયમનો ભંગ એક શક્યતાને પ્રગટ કરે છે. તે એ કે હલકામાં હલકા બૅરિયૉન (પ્રોટૉન) સંભવત: સંપૂર્ણપણે સ્થાયી ન હોઈ શકે; પણ તે P → e+ + π0 જેવી ક્ષય-પ્રક્રિયા કરી શકે છે. આવી પ્રક્રિયા થવાનો દર અત્યંત નહિવત્ હોય છે. હકીકતમાં બ્રહ્માંડવિજ્ઞાન(cosmology)ને વિશ્વની બૅરિયૉન પ્રતિબૅરિયૉન સંમિતિ માટે ન્યૂક્લિયૉન ક્ષય-પ્રક્રિયાની આવશ્યકતા છે. પ્રોટૉનનો અર્ધજીવનકાળ અંદાજે 1039 સેકન્ડથી વધુ છે; અર્થાત્ તેનો ક્ષય પામવાનો દર 2 x 10–40 સે–1 છે. GUTના કેટલાક નિષ્ણાતોના અભ્યાસ પ્રમાણે પ્રોટૉનનો ક્ષય-દર 3 x 10–37 ± 2 સે–1 છે. સંશોધન અને અભ્યાસની વર્તમાન પરિસ્થિતિ પ્રમાણે આ ક્ષય-દર સ્વીકાર્ય નથી. કેટલાક નિષ્ણાતો પ્રોટૉનનો ક્ષય-દર શૂન્ય ગણાવે છે. આ રીતે પ્રોટૉન-ક્ષય-દરનો અભ્યાસ અને સચોટ ગણતરી વર્તમાન અન્વેષણનું મહત્વનું પાસું છે.
આનંદ પ્ર. પટેલ