Cuarc
Un quark () es un tipo de partícula elemental y un constituyente fundamental de la materia. Los quarks se combinan para formar partículas compuestas llamadas hadrones, los más estables de los cuales son los protones y los neutrones, los componentes de los núcleos atómicos. Toda la materia comúnmente observable se compone de quarks up, quarks down y electrones. Debido a un fenómeno conocido como confinamiento de color, los quarks nunca se encuentran aislados; solo se pueden encontrar dentro de los hadrones, que incluyen bariones (como protones y neutrones) y mesones, o en plasmas de quarks y gluones. Por esta razón, gran parte de lo que se sabe sobre los quarks se ha extraído de las observaciones de los hadrones.
Los quarks tienen varias propiedades intrínsecas, como la carga eléctrica, la masa, la carga de color y el espín. Son las únicas partículas elementales en el modelo estándar de física de partículas que experimentan las cuatro interacciones fundamentales, también conocidas como fuerzas fundamentales (electromagnetismo, gravitación, interacción fuerte e interacción débil), así como las únicas partículas conocidas cuyas cargas eléctricas no son múltiplos enteros de la carga elemental.
Hay seis tipos, conocidos como sabores, de quarks: arriba, abajo, encantador, extraño, superior e inferior. Los quarks arriba y abajo tienen las masas más bajas de todos los quarks. Los quarks más pesados se transforman rápidamente en quarks arriba y abajo a través de un proceso de descomposición de partículas: la transformación de un estado de mayor masa a un estado de menor masa. Debido a esto, los quarks arriba y abajo son generalmente estables y los más comunes en el universo, mientras que los quarks extraño, encantador, inferior y superior solo pueden producirse en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y en aceleradores de partículas). Para cada tipo de quark hay un tipo correspondiente de antipartícula, conocida como antiquark, que difiere del quark solo en que algunas de sus propiedades (como la carga eléctrica) tienen la misma magnitud pero signo opuesto.
El modelo de quarks fue propuesto de forma independiente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964. Los quarks se introdujeron como parte de un esquema de ordenación de hadrones, y había poca evidencia de su existencia física hasta los experimentos de dispersión inelástica profunda en la Universidad de Stanford. Linear Accelerator Center en 1968. Los experimentos del programa Accelerator han proporcionado evidencia de los seis sabores. El quark top, observado por primera vez en Fermilab en 1995, fue el último en ser descubierto.
Clasificación
El Modelo Estándar es el marco teórico que describe todas las partículas elementales conocidas. Este modelo contiene seis versiones de quarks (
q
), nombrado arriba (
u
), abajo (
d
), extraño (
s
), charm (
c
), inferior (
b
) y arriba (
t
). Las antipartículas de los quarks se denominan antiquarks y se indican con una barra sobre el símbolo del quark correspondiente, como
u
para un antiquark arriba. Al igual que con la antimateria en general, los antiquarks tienen la misma masa, tiempo de vida medio y giro que sus respectivos quarks, pero la carga eléctrica y otras cargas tienen el signo opuesto.
Los quarks son partículas de espín 1/2, lo que significa que son fermiones según el teorema de las estadísticas de espín. Están sujetos al principio de exclusión de Pauli, que establece que dos fermiones idénticos no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. Esto contrasta con los bosones (partículas con espín entero), de los cuales cualquier número puede estar en el mismo estado. A diferencia de los leptones, los quarks poseen carga de color, lo que hace que se involucren en la interacción fuerte. La atracción resultante entre diferentes quarks provoca la formación de partículas compuestas conocidas como hadrones (ver "Interacción fuerte y carga de color" a continuación).
Los quarks que determinan los números cuánticos de los hadrones se denominan quarks de valencia; aparte de estos, cualquier hadrón puede contener un número indefinido de "mar" virtuales; quarks, antiquarks y gluones, que no influyen en sus números cuánticos. Hay dos familias de hadrones: los bariones, con tres quarks de valencia, y los mesones, con un quark de valencia y un antiquark. Los bariones más comunes son el protón y el neutrón, los componentes básicos del núcleo atómico. Se conocen un gran número de hadrones (ver lista de bariones y lista de mesones), la mayoría de ellos diferenciados por su contenido de quarks y las propiedades que les confieren estos quarks constituyentes. La existencia de "exotic" hadrones con más quarks de valencia, como tetraquarks (
q
q
q
< /sup>
q
) y pentaquarks (
q< br/>< sup style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">
q
q
< /sub>q
q
), se conjeturó desde los inicios del modelo de quarks pero no se descubrió hasta principios del siglo XXI.
Los fermiones elementales se agrupan en tres generaciones, cada una de las cuales comprende dos leptones y dos quarks. La primera generación incluye los quarks up y down, la segunda los quarks strange y charm, y la tercera los quarks bottom y top. Todas las búsquedas de una cuarta generación de quarks y otros fermiones elementales han fallado, y existe una fuerte evidencia indirecta de que no existen más de tres generaciones. Las partículas de generaciones superiores generalmente tienen mayor masa y menor estabilidad, lo que hace que se descompongan en partículas de generación inferior por medio de interacciones débiles. Solo los quarks de primera generación (arriba y abajo) ocurren comúnmente en la naturaleza. Los quarks más pesados solo se pueden crear en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos) y se descomponen rápidamente; sin embargo, se cree que estuvieron presentes durante las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, cuando el universo estaba en una fase extremadamente caliente y densa (la época de los quarks). Los estudios de quarks más pesados se llevan a cabo en condiciones creadas artificialmente, como en los aceleradores de partículas.
Al tener carga eléctrica, masa, carga de color y sabor, los quarks son las únicas partículas elementales conocidas que participan en las cuatro interacciones fundamentales de la física contemporánea: electromagnetismo, gravitación, interacción fuerte e interacción débil. La gravitación es demasiado débil para ser relevante para las interacciones de partículas individuales, excepto en los extremos de energía (energía de Planck) y escalas de distancia (distancia de Planck). Sin embargo, dado que no existe una teoría cuántica exitosa de la gravedad, el modelo estándar no describe la gravitación.
Consulte la siguiente tabla de propiedades para obtener una descripción más completa de los seis sabores de quarks' propiedades.
Historia
El modelo de quarks fue propuesto de forma independiente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964. La propuesta se produjo poco después de la formulación de Gell-Mann en 1961 de un sistema de clasificación de partículas conocido como Eightfold Way – o, en términos más técnicos, simetría de sabor SU(3), simplificando su estructura. El físico Yuval Neeman había desarrollado de forma independiente un esquema similar al Camino Óctuple en el mismo año. Un primer intento de organización constituyente estaba disponible en el modelo Sakata.
En el momento del inicio de la teoría de los quarks, el "zoológico de partículas" incluía multitud de hadrones, entre otras partículas. Gell-Mann y Zweig postularon que no eran partículas elementales, sino que estaban compuestas de combinaciones de quarks y antiquarks. Su modelo involucró tres sabores de quarks, arriba, abajo y extraño, a los que atribuyeron propiedades como el giro y la carga eléctrica. La reacción inicial de la comunidad de físicos a la propuesta fue mixta. Hubo una disputa particular sobre si el quark era una entidad física o una mera abstracción utilizada para explicar conceptos que no se entendían completamente en ese momento.
En menos de un año, se propusieron extensiones al modelo Gell-Mann-Zweig. Sheldon Glashow y James Bjorken predijeron la existencia de un cuarto sabor de quark, al que llamaron encanto. Se propuso la adición porque permitía una mejor descripción de la interacción débil (el mecanismo que permite que los quarks se desintegren), igualaba el número de quarks conocidos con el número de leptones conocidos e implicaba una fórmula de masa que reproducía correctamente las masas de los mesones conocidos.
Experimentos de dispersión inelástica profunda realizados en 1968 en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) y publicados el 20 de octubre de 1969, mostraron que el protón contenía objetos mucho más pequeños, similares a puntos, y por lo tanto no era una partícula elemental. Los físicos se mostraron reacios a identificar firmemente estos objetos con quarks en ese momento, y en su lugar los llamaron 'partones'; – un término acuñado por Richard Feynman. Los objetos que se observaron en SLAC se identificarían más tarde como quarks arriba y abajo a medida que se descubrieran los otros sabores. Sin embargo, "parton" permanece en uso como un término colectivo para los componentes de los hadrones (quarks, antiquarks y gluones).
La existencia del quark extraño fue validada indirectamente por los experimentos de dispersión de SLAC: no solo era un componente necesario del modelo de tres quarks de Gell-Mann y Zweig, sino que proporcionaba una explicación para el kaon (
K
) y pion (
π
) hadrones descubiertos en rayos cósmicos en 1947.
En un artículo de 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani presentaron el mecanismo GIM (llamado así por sus iniciales) para explicar la no observación experimental de corrientes neutras que cambian el sabor. Este modelo teórico requería la existencia del quark encanto aún no descubierto. El número de supuestos sabores de quarks aumentó a los seis actuales en 1973, cuando Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa notaron que la observación experimental de la violación de CP podría explicarse si hubiera otro par de quarks.
Los quarks Charm fueron producidos casi simultáneamente por dos equipos en noviembre de 1974 (ver Revolución de noviembre): uno en SLAC bajo la dirección de Burton Richter y otro en el Laboratorio Nacional de Brookhaven bajo la dirección de Samuel Ting. Los quarks charm se observaron ligados a los antiquarks charm en los mesones. Las dos partes habían asignado al mesón descubierto dos símbolos diferentes, J y ψ; por lo tanto, se conoció formalmente como el mesón J/ψ. El descubrimiento finalmente convenció a la comunidad de físicos de la validez del modelo de quarks.
En los años siguientes aparecieron varias sugerencias para ampliar el modelo de quarks a seis quarks. De estos, el artículo de 1975 de Haim Harari fue el primero en acuñar los términos superior y inferior para los quarks adicionales.
En 1977, un equipo del Fermilab dirigido por Leon Lederman observó el quark bottom. Este fue un fuerte indicador de la existencia del quark top: sin el quark top, el quark bottom no habría tenido pareja. No fue hasta 1995 que finalmente se observó el quark top, también por los equipos CDF y DØ en Fermilab. Tenía una masa mucho mayor de lo esperado, casi tan grande como la de un átomo de oro.
Etimología
Durante algún tiempo, Gell-Mann estuvo indeciso sobre la ortografía real del término que pretendía acuñar, hasta que encontró la palabra quark en el libro de James Joyce de 1939 Finnegans Despertar:
– ¡Tres quarks para Muster Mark!
Seguro que no tiene mucha corteza.
Y seguro que cualquiera que tenga está al lado de la marca.
La palabra quark es una palabra inglesa obsoleta que significa croar y las líneas citadas anteriormente se refieren a un coro de pájaros que se burla del rey Mark de Cornualles en la leyenda de Tristán y Isolda. Sin embargo, especialmente en las partes del mundo de habla alemana, existe una leyenda generalizada de que Joyce lo había tomado de la palabra Quark , una palabra alemana de origen eslavo que denota un requesón, pero también es un término coloquial para "tonterías triviales". En la leyenda se dice que lo había oído en un viaje a Alemania en una casa de campo. Mercado de Friburgo. Algunos autores, sin embargo, defienden un posible origen alemán de la palabra quark de Joyce. Gell-Mann entró en más detalles sobre el nombre del quark en su libro de 1994 The Quark and the Jaguar:
En 1963, cuando asigné el nombre "quark" a los componentes fundamentales del núcleo, tuve el sonido primero, sin la ortografía, que podría haber sido "kwork". Entonces, en una de mis perusales ocasionales de Finnegans Wake, por James Joyce, me encontré con la palabra "quark" en la frase "Tres quarks para Muster Mark". Ya que "quark" (que significa, por una cosa, el grito de la gaviota) estaba claramente destinado a rimar con "Mark", así como "bark" y otras palabras tales, tuve que encontrar una excusa para pronunciarlo como "kwork". Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto son típicamente extraídas de varias fuentes a la vez, como las palabras "portmanteau" en A través del Mirador. De vez en cuando, se producen frases en el libro que se determinan parcialmente por las llamadas de bebidas en el bar. Sostuve, pues, que tal vez una de las múltiples fuentes del clamor "Tres quarks for Muster Mark" podría ser "Tres cuartos para el señor Mark", en cuyo caso la pronunciación "kwork" no sería totalmente injustificada. En cualquier caso, el número tres equipó perfectamente la forma en que los quarks ocurren en la naturaleza.
Zweig prefirió el nombre ace para la partícula que había teorizado, pero la terminología de Gell-Mann cobró importancia una vez que el modelo de quarks fue aceptado comúnmente.
Los sabores del quark recibieron sus nombres por varias razones. Los quarks up y down llevan el nombre de los componentes up y down de isospin, que llevan. Los quarks extraños recibieron su nombre porque se descubrió que eran componentes de las partículas extrañas descubiertas en los rayos cósmicos años antes de que se propusiera el modelo de quark; estas partículas se consideraron "extrañas" porque tenían vidas inusualmente largas. Se cita a Glashow, quien copropuso el quark encantador con Bjorken, diciendo: "Llamamos a nuestra construcción el 'quark encantado', porque estábamos fascinados y complacidos con la simetría que trajo al mundo subnuclear".." Los nombres "abajo" y "top", acuñado por Harari, fueron elegidos porque son "compañeros lógicos para los quarks up y down". Los nombres alternativos para los quarks bottom y top son "belleza" y "verdad" respectivamente, pero estos nombres han caído un poco en desuso. Mientras que la "verdad" nunca se puso de moda, los complejos aceleradores dedicados a la producción masiva de quarks de fondo a veces se denominan "fábricas de belleza".
Propiedades
Carga eléctrica
Los quarks tienen valores fraccionarios de carga eléctrica, ya sea (−1 //span>3) o (+2< /span>/3) veces la carga elemental (e), según el sabor. Los quarks up, charm y top (denominados colectivamente como quarks de tipo up) tienen una carga de +2/3 e; Los quarks abajo, extraño e inferior (quarks de tipo abajo) tienen una carga de −1/3 e. Los antiquarks tienen la carga opuesta a sus quarks correspondientes; los antiquarks de tipo ascendente tienen cargas de −2/ 3 e y los antiquarks de tipo descendente tienen cargas de +1 /3 e. Dado que la carga eléctrica de un hadrón es la suma de las cargas de los quarks constituyentes, todos los hadrones tienen cargas enteras: la combinación de tres quarks (bariones), tres antiquarks (antibariones), o un quark y un antiquark (mesones) siempre da como resultado en cargas enteras. Por ejemplo, los constituyentes de hadrones de los núcleos atómicos, los neutrones y los protones, tienen cargas de 0 e y +1 e respectivamente; el neutrón se compone de dos quarks down y un quark up, y el protón de dos quarks up y un quark down.
Girar
El espín es una propiedad intrínseca de las partículas elementales y su dirección es un importante grado de libertad. A veces se visualiza como la rotación de un objeto alrededor de su propio eje (de ahí el nombre de 'giro'), aunque esta noción es algo equivocada en las escalas subatómicas porque se cree que las partículas elementales son como puntos.
El espín se puede representar mediante un vector cuya longitud se mide en unidades de la constante de Planck reducida ħ (pronunciado "h bar"). Para los quarks, una medición del componente del vector de espín a lo largo de cualquier eje solo puede arrojar los valores +ħ< /span>/2 o −ħ/2< /lapso>; por esta razón, los quarks se clasifican como partículas de espín-1/2. El componente de espín a lo largo de un eje dado, por convención el eje z, a menudo se indica con una flecha hacia arriba ↑ para el valor +1/2 y flecha hacia abajo ↓ para el valor −1/2, colocado después del símbolo de sabor. Por ejemplo, un quark up con un espín de +1/< /span>2 a lo largo del eje z se indica mediante u↑.
Interacción débil
![A tree diagram consisting mostly of straight arrows. A down quark forks into an up quark and a wavy-arrow W[superscript minus] boson, the latter forking into an electron and reversed-arrow electron antineutrino.](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta_Negative_Decay.svg)
Un quark de un tipo puede transformarse en un quark de otro tipo solo a través de la interacción débil, una de las cuatro interacciones fundamentales en la física de partículas. Al absorber o emitir un bosón W, cualquier quark de tipo up (up, charm y top quarks) puede transformarse en cualquier quark de tipo down (quarks down, strange e bottom) y viceversa. Este mecanismo de transformación del sabor provoca el proceso radiactivo de desintegración beta, en el que un neutrón (
n
< /span>) "divisiones" en un protón (
p
), un electrón (< span style="white-space:nowrap;">
< /span>e−
) y un antineutrino electrónico (
ν
e) (ver imagen). Esto ocurre cuando uno de los quarks down en el neutrón (
u
d
d
) decae en un quark up emitiendo un < br/>W−
bosón, transformando el neutrón en un protón (
u
u
< /span>
< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">d
).
W−
el bosón luego se descompone en un electrón y un antineutrino electrónico.
| n | → | p | + | e− | + | . e | (Decaimiento de beta, notación de hadron) |
u d d | → | u u d | + | e− | + | . e | (Beta decaimiento, notación de quark) |
Tanto la desintegración beta como el proceso inverso de desintegración beta inversa se utilizan habitualmente en aplicaciones médicas como la tomografía por emisión de positrones (PET) y en experimentos relacionados con la detección de neutrinos.
Si bien el proceso de transformación del sabor es el mismo para todos los quarks, cada quark tiene preferencia por transformarse en el quark de su propia generación. Las tendencias relativas de todas las transformaciones de sabor se describen mediante una tabla matemática, llamada matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (matriz CKM). Haciendo cumplir la unitaridad, las magnitudes aproximadas de las entradas de la matriz CKM son:
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