Cuarc
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Este artículo trata sobre la partícula elemental y su antipartícula. Para otros usos, consulte Quark (desambiguación) .

Cuarc
Tres bolas de colores (que simbolizan quarks) conectadas por pares por resortes (que simbolizan gluones), todas dentro de un círculo gris (que simboliza un protón). Los colores de las bolas son rojo, verde y azul, paralelos a la carga de color de cada quark. Las bolas rojas y azules están etiquetadas como "u" (para el quark "arriba") y la verde está etiquetada como "d" (para el quark "abajo").
Un protón se compone de dos quarks arriba , uno quark abajo y los gluones que median las fuerzas que los "unen". La asignación de color de los quarks individuales es arbitraria, pero los tres colores deben estar presentes; el rojo, el azul y el verde se utilizan como analogía con los colores primarios que juntos producen un color blanco.
ComposiciónPartícula elemental
EstadísticasFermiónico
Generacion1ro, 2do, 3ro
InteraccionesElectromagnetismo , gravitación , fuerte , débil
Símbolo
q
AntipartículaAntiquark
q
)
Teorizado
DescubiertoSLAC (c. 1968)
Tipos6 ( arriba , abajo , extraño , encanto , abajo y arriba )
Carga eléctrica+ 2 / 3  e , - 1 / 3 e 
Carga de colorsí
Vuelta1 / 2
Número bariónico1 / 3

Un quark ( / k w ɔːr k , k w ɑːr k / ) 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 neutrones , los componentes de los núcleos atómicos . [1] Toda la materia comúnmente observable está compuesta de quarks up, quarks down y electrones . Debido a un fenómeno conocido como confinamiento de color, los quarks nunca se encuentran aislados; sólo se pueden encontrar dentro de los hadrones, que incluyen bariones (como protones y neutrones) y mesones , o en plasmas de quarks-gluones . [2] [3] [nb 1] Por esta razón, mucho de lo que se sabe sobre los quarks se ha extraído de las observaciones de los hadrones.

Los quarks tienen varias propiedades intrínsecas , incluida la carga eléctrica , la masa , la carga de color y el giro . 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 , encanto , extraño , superior e inferior . [4] Los quarks up y down tienen las masas más bajas de todos los quarks. Los quarks más pesados ​​se transforman rápidamente en quarks ascendentes y descendentes a través de un proceso de desintegración de partículas : la transformación de un estado de mayor masa a un estado de menor masa. Debido a esto, los quarks up y down son generalmente estables y los más comunes en el universo , mientras que los quarks extraños, encantadores, inferiores y superiores solo se pueden producir en colisiones de alta energía (como las que involucranrayos cósmicos y en aceleradores de partículas ). Para cada sabor de quark hay un tipo correspondiente de antipartícula , conocida como antiquark , que se diferencia 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. [5] Los quarks se introdujeron como parte de un esquema de ordenación de hadrones, y había poca evidencia de su existencia física hasta que los experimentos de dispersión inelástica profunda en Stanford Linear Accelerator Center en 1968. [6] [7] Los experimentos con aceleradores han proporcionado evidencia para los seis sabores. El quark top, observado por primera vez en Fermilab en 1995, fue el último en ser descubierto. [5]

Clasificación

Ver también: Modelo estándar
Seis de las partículas del modelo estándar son quarks (que se muestran en violeta). Cada una de las tres primeras columnas forma una generación de materia.

El modelo estándar es el marco teórico que describe todas las partículas elementales conocidas . Este modelo contiene seis sabores de quarks (
q
), Llamado así por (
tu
), abajo (
D
), extraño (
s
), encanto (
C
), abajo (
B
) y arriba (
t
). [4] Las antipartículas de los quarks se denominan antiquarks y se indican con una barra sobre el símbolo del quark correspondiente, como
tu
para un antiquark up. Como ocurre con la antimateria en general, los antiquarks tienen la misma masa, vida media y giro que sus respectivos quarks, pero la carga eléctrica y otras cargas tienen el signo opuesto. [8]

Los quarks son spin- 1 / 2 partículas, lo que implica que son fermiones de acuerdo con las spin-estadísticas teorema . 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. [9] A diferencia de los leptones , los quarks poseen carga de color , lo que hace que participen en una fuerte interacción. La atracción resultante entre diferentes quarks provoca la formación de partículas compuestas conocidas como hadrones (ver " Fuerte interacción y carga de color " a continuación).

Los quarks que determinan los números cuánticos de hadrones se denominan quarks de valencia ; Aparte de estos, cualquier hadrón puede contener un número indefinido de quarks, antiquarks y gluones " mar " virtuales , que no influyen en sus números cuánticos. [10] Hay dos familias de hadrones: bariones , con tres quarks de valencia, y mesones , con un quark de valencia y un antiquark. [11] Los bariones más comunes son el protón y el neutrón, los componentes básicos del núcleo atómico . [12] Se conocen un gran número de hadrones (ver lista de bariones ylista de mesones ), la mayoría de ellos diferenciados por su contenido de quarks y las propiedades que confieren estos quarks constituyentes. La existencia de hadrones "exóticos" con más quarks de valencia, como los tetraquarks (
q

q

q

q
) y pentaquarks (
q

q

q

q

q
), se conjeturó desde los inicios del modelo de quark [13] pero no se descubrió hasta principios del siglo XXI. [14] [15] [16] [17]

Los fermiones elementales se agrupan en tres generaciones , cada una de las cuales comprende dos leptones y dos quarks. La primera generación incluye quarks up y down, la segunda quarks extraños y encantadores, y la tercera quarks bottom y top. Todas las búsquedas de una cuarta generación de quarks y otros fermiones elementales han fallado, [18] [19] y hay una fuerte evidencia indirecta de que no existen más de tres generaciones. [nb 2] [20] [21] [22] Las partículas en generaciones superiores generalmente tienen mayor masa y menos 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 aceleradores de partículas . [23]

Teniendo 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. [12] 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 de la gravedad exitosa , el modelo estándar no describe la gravitación.

Consulte la tabla de propiedades a continuación para obtener una descripción más completa de las propiedades de los seis sabores de quark.

Historia

Murray Gell-Mann (2007)
George Zweig (2015)

El modelo de quarks fue propuesto de forma independiente por los físicos Murray Gell-Mann [24] y George Zweig [25] [26] en 1964. [5] La propuesta se produjo poco después de la formulación de 1961 de Gell-Mann de un sistema de clasificación de partículas conocido como Óctuple Vía. - o, en términos más técnicos, SU (3) simetría de sabor , racionalizando su estructura. [27] El físico Yuval Ne'eman había desarrollado de forma independiente un esquema similar al Óctuple Vía en el mismo año. [28] [29] 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, entre otras partículas, una multitud de hadrones . Gell-Mann y Zweig postularon que no eran partículas elementales, sino que estaban compuestas por combinaciones de quarks y antiquarks. Su modelo incluía tres sabores de quarks, arriba , abajo y extraño , a los que atribuían propiedades como el giro y la carga eléctrica. [24] [25] [26] La reacción inicial de la comunidad de físicos a la propuesta fue mixta. Hubo una controversia 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. [30]

En menos de un año, se propusieron extensiones al modelo Gell-Mann-Zweig. Sheldon Lee Glashow y James Bjorken predijeron la existencia de un cuarto sabor de quark, al que llamaron encanto . La adición se propuso porque permitía una mejor descripción de la interacción débil (el mecanismo que permite la desintegración de los quarks), igualaba el número de quarks conocidos con el número de leptones conocidos e implicaba una fórmula de masas que reproducía correctamente las masas de los quarks. mesones conocidos . [31]

En 1968, experimentos de dispersión inelástica profunda en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) mostraron que el protón contenía objetos similares a puntos mucho más pequeños y, por lo tanto, no era una partícula elemental. [6] [7] [32] Los físicos eran reacios a identificar firmemente estos objetos con quarks en ese momento, en lugar de llamarlos " partons ", un término acuñado por Richard Feynman . [33] [34] [35] Los objetos que se observaron en SLAC se identificarían más tarde como quarks arriba y abajo a medida que se descubrieron los otros sabores. [36]Sin embargo, "parton" permanece en uso como un término colectivo para los constituyentes de los hadrones (quarks, antiquarks y gluones ).

Fotografía del suceso que condujo al descubrimiento de la Σ++ cbarión , en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1974

La existencia del extraño quark fue validada indirectamente por los experimentos de dispersión de SLAC: no solo era un componente necesario del modelo de tres quark de Gell-Mann y Zweig, sino que proporcionaba una explicación para el kaon (
K
) y pion (
π
) hadrones descubiertos en rayos cósmicos en 1947. [37]

En un artículo de 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani presentaron el llamado mecanismo GIM para explicar la no observación experimental de corrientes neutrales que cambian el sabor . Este modelo teórico requería la existencia del quark encanto aún no descubierto . [38] [39] El número de supuestos sabores de quark creció a los seis actuales en 1973, cuando Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa notaron que la observación experimental de violación de CP [nb 3] [40] podría explicarse si hubiera otro par de quarks.

Los quarks de encanto 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 encantadores se observaron unidos con antiquarks encantadores en mesones. Las dos partes habían asignado al mesón descubierto dos símbolos diferentes, J y ψ ; por lo tanto, se conoció formalmente como elJ / ψmesón . El descubrimiento finalmente convenció a la comunidad de físicos de la validez del modelo de quarks. [35]

En los años siguientes, aparecieron varias sugerencias para extender el modelo de quarks a seis quarks. De estos, el artículo de 1975 de Haim Harari [41] fue el primero en acuñar los términos superior e inferior para los quarks adicionales. [42]

En 1977, el quark bottom fue observado por un equipo en Fermilab dirigido por Leon Lederman . [43] [44] Este fue un fuerte indicador de la existencia del quark top: sin el quark top, el quark bottom no habría tenido pareja. Sin embargo, no fue hasta 1995 que finalmente se observó el quark top, también por los equipos CDF [45] y DØ [46] en Fermilab. [5] Tenía una masa mucho mayor de lo que se había esperado anteriormente, [47] casi tan grande como la de un átomo de oro . [48]

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 Finnegans Wake de James Joyce de 1939 : [49]

- ¡Tres quarks para Muster Mark!
Seguro que no tiene mucho ladrido
Y seguro que cualquiera que tenga está al lado de la marca.

La palabra quark es una palabra inglesa obsoleta que significa croar [50] y las líneas arriba citadas tratan sobre un coro de pájaros que se burla del rey Mark de Cornualles en la leyenda de Tristán e Isolda . [51] Especialmente en las partes del mundo de habla alemana hay una leyenda muy extendida, sin embargo, que Joyce la había tomado de la palabra Quark , [52] una palabra alemana de origen eslavo que denota un producto lácteo , [53] pero también es un término coloquial para "basura". [54]En la leyenda se dice que lo escuchó en un viaje a Alemania en un mercado campesino en Friburgo . [55] [56] Sin embargo, algunos autores defienden un posible origen alemán de la palabra quark de Joyce . [57] Gell-Mann entró en más detalles sobre el nombre del quark en su libro de 1994 The Quark and the Jaguar : [58]

En 1963, cuando asigné el nombre "quark" a los constituyentes fundamentales del nucleón, tuve primero el sonido, sin la ortografía, que podría haber sido "kwork". Luego, en una de mis lecturas ocasionales de Finnegans Wake , de James Joyce, encontré la palabra "quark" en la frase "Tres quarks para Muster Mark". Dado que "quark" (que significa, en primer lugar, el grito de la gaviota) estaba claramente destinado a rimar con "Mark", así como con "ladrido" y otras palabras similares, tuve que encontrar una excusa para pronunciarlo como "kwork ". Pero el libro representa el sueño de un tabernero llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Por lo general, las palabras del texto se extraen de varias fuentes a la vez, como el " acrónimo ".palabras en A través del espejo. De vez en cuando, aparecen frases en el libro que están parcialmente determinadas por las llamadas a tomar una copa en el bar. Por lo tanto, sostuve que quizás una de las múltiples fuentes del grito "Tres quarks para Muster Mark" podría ser "Tres cuartos para Mister Mark", en cuyo caso la pronunciación "kwork" no estaría totalmente injustificada. En cualquier caso, el número tres encajaba perfectamente en la forma en que ocurren los quarks en la naturaleza.

Zweig prefirió el nombre as para la partícula que había teorizado, pero la terminología de Gell-Mann saltó a la fama una vez que el modelo de quarks fue aceptado de forma generalizada. [59]

Los sabores de 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. [60] 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 quarks; estas partículas se consideraron "extrañas" porque tenían vidas inusualmente largas. [61] Glashow, quien co-propuso el quark encanto con Bjorken, es citado diciendo: "Llamamos a nuestro constructo el 'quark encantado', porque estábamos fascinados y complacidos por la simetría que traía al mundo subnuclear". [62]Los nombres "bottom" y "top", acuñados por Harari, fueron elegidos porque son "socios lógicos para los quarks up y down". [41] [42] [61] Los nombres alternativos para los quarks bottom y top son "belleza" y "verdad" respectivamente, [nb 4] pero estos nombres han caído en desuso. [66] Si bien la "verdad" nunca se popularizó, los complejos de aceleradores dedicados a la producción masiva de quarks inferiores a veces se denominan " fábricas de belleza ". [67]

Propiedades

Carga eléctrica

Ver también: Carga eléctrica

Quarks tienen fraccionarios valores de carga eléctrica - o bien (- de 1 / 3 ) o (+ 2 / 3 ) veces la carga elemental (e), en función de sabor. Arriba, encanto, y superior quarks (denominados colectivamente como quarks de tipo arriba ) tienen una carga de + 2 / 3  E, mientras que hacia abajo, extraño, y quark fondo ( quarks abajo de tipo ) tienen - 1 / 3  e. Los antiquarks tienen la carga opuesta a sus quarks correspondientes; hasta de tipo antiquarks tienen cargas de - 2 / 3  e y abajo de tipo antiquarks 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 resulta en cargas enteras. [68] Por ejemplo, los hadrones constituyentes de núcleos atómicos, neutrones y protones, tienen cargas de 0 e y +1 e respectivamente; el neutrón se compone de dos quarks abajo y un quark arriba, y el protón de dos quarks arriba y un quark abajo. [12]

Vuelta

Ver también: Spin (física)

El giro 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 " giro "), aunque esta noción es algo equivocada a escalas subatómicas porque se cree que las partículas elementales tienen forma de puntos . [69]

El giro se puede representar mediante un vector cuya longitud se mide en unidades de la constante de Planck reducida ħ (pronunciada "barra h"). Para los quarks, una medición del componente del vector de espín a lo largo de cualquier eje solo puede producir los valores + ħ / 2 o - ħ / 2 ; por esta razón quarks se clasifican como spin- 1 / 2 partículas. [70] El componente de giro a lo largo de un eje dado - por convención la z eje - a menudo se denota por una flecha hacia arriba ↑ para el valor de + 1 / 2 y la flecha hacia abajo ↓ para el valor - 1 /2 , colocado después del símbolo de sabor. Por ejemplo, un quark arriba con un giro de + 1 / 2 a lo largo de la z eje se denota por u ↑. [71]

Interacción débil

Artículo principal: interacción débil
Diagrama de Feynman de la desintegración beta con el tiempo fluyendo hacia arriba. La matriz CKM (discutida a continuación) codifica la probabilidad de este y otros desintegraciones de quarks.

Un quark de un sabor puede transformarse en un quark de otro sabor 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 (down, strange y bottom quarks) y viceversa. Este mecanismo de transformación del sabor provoca el proceso radiactivo de desintegración beta , en el que un neutrón (
norte
) "se divide" en un protón (
pag
), un electrón (
mi-
) y un antineutrino electrónico (
ν
mi) (ver imagen). Esto ocurre cuando uno de los quarks down en el neutrón (
tu

D

D
) decae en un quark up emitiendo un virtual
W-
 bosón, transformando el neutrón en un protón (
tu

tu

D
). El
W-
El bosón luego se desintegra en un electrón y un electrón antineutrino. [72]

 
norte
→ 
pag
+
mi-
+
ν
mi		(Desintegración beta, notación de hadrones)

tu

D

D
→
tu

tu

D
+
mi-
+
ν
mi		(Decaimiento beta, notación de quarks)

Tanto la desintegración beta como el proceso inverso de la desintegración beta inversa se utilizan habitualmente en aplicaciones médicas como la tomografía por emisión de positrones (PET) y en experimentos que involucran la detección de neutrinos .

Las fortalezas de las interacciones débiles entre los seis quarks. Las "intensidades" de las líneas están determinadas por los elementos de la matriz CKM .

Si bien el proceso de transformación del sabor es el mismo para todos los quarks, cada quark tiene la preferencia de 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: [73]

donde V ij representa la tendencia de un quark de sabor i a transformarse en un quark de sabor j (o viceversa). [nb 5]

Existe una matriz de interacción débil equivalente para los leptones (lado derecho del bosón W en el diagrama de desintegración beta anterior), llamada matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (matriz PMNS). [74] Juntas, las matrices CKM y PMNS describen todas las transformaciones de sabor, pero los vínculos entre los dos aún no están claros. [75]

Fuerte interacción y carga de color

Ver también: Carga de color e interacción fuerte
Todos los tipos de hadrones tienen una carga de color total cero.
El patrón de cargas fuertes para los tres colores de quark, tres antiquarks y ocho gluones (con dos de carga cero superpuestos).

Según la cromodinámica cuántica (QCD), los quarks poseen una propiedad llamada carga de color . Hay tres tipos de carga de color, etiquetados arbitrariamente como azul , verde y rojo . [nb 6] Cada uno de ellos se complementa con un anticolor - antiblue , antigreen y antired . Cada quark lleva un color, mientras que cada antiquark lleva un anticolor. [76]

El sistema de atracción y repulsión entre quarks cargados con diferentes combinaciones de los tres colores se denomina interacción fuerte , que está mediada por partículas portadoras de fuerza conocidas como gluones ; esto se analiza en detalle a continuación. La teoría que describe las interacciones fuertes se llama cromodinámica cuántica (QCD). Un quark, que tendrá un solo valor de color, puede formar un sistema de encuadernación con un antiquark que lleve el correspondiente anticolor. El resultado de dos quarks atrayentes será la neutralidad del color: un quark con carga de color ξ más un antiquark con carga de color - ξ dará como resultado una carga de color de 0 (o color "blanco") y la formación de unmesón . Esto es análogo al modelo de color aditivo en óptica básica . De manera similar, la combinación de tres quarks, cada uno con diferentes cargas de color, o tres antiquarks, cada uno con cargas anticolor, dará como resultado la misma carga de color "blanco" y la formación de un barión o antibarión . [77]

En la física de partículas moderna, las simetrías de gauge , una especie de grupo de simetría , relacionan interacciones entre partículas (ver teorías de gauge ). El color SU (3) (comúnmente abreviado como SU (3) c ) es la simetría de calibre que relaciona la carga de color en los quarks y es la simetría que define la cromodinámica cuántica. [78] Así como las leyes de la física son independientes de qué direcciones en el espacio se designan x , y , y z, y permanecen sin cambios si los ejes de coordenadas se giran a una nueva orientación, la física de la cromodinámica cuántica es independiente de qué direcciones en el espacio de color tridimensional se identifican como azul, rojo y verde. Las transformaciones de color SU (3) c corresponden a "rotaciones" en el espacio de color (que, matemáticamente hablando, es un espacio complejo ). Cada sabor de quark f , cada uno con subtipos f B , f G , f R correspondientes a los colores de quark, [79] forma un triplete: un campo cuántico de tres componentes que se transforma bajo la representación fundamental de SU (3) c. [80] El requisito de que SU (3) c sea ​​local, es decir, que se permita que sus transformaciones varíen con el espacio y el tiempo, determina las propiedades de la interacción fuerte. En particular, implica la existencia de ocho tipos de gluones para actuar como sus portadores de fuerza. [78] [81]

Masa

Masas de quark actuales para los seis sabores en comparación, como bolas de volúmenes proporcionales. El protón (gris) y el electrón  (rojo) se muestran en la esquina inferior izquierda para la escala.
Ver también: masa invariante

Dos términos se utilizan en referencia a la masa de un quark: quark corriente de masa se refiere a la masa de un quark por sí mismo, mientras constituyente quark masa se refiere a la masa del quark actual más la masa de la gluon campo de partículas que rodea el quark. [82] Estas masas suelen tener valores muy diferentes. La mayor parte de la masa de un hadrón proviene de los gluones que unen los quarks constituyentes, en lugar de los mismos quarks. Si bien los gluones no tienen masa inherentemente, poseen energía, más específicamente, energía de enlace de la cromodinámica cuántica (QCBE), y esto es lo que contribuye en gran medida a la masa total del hadrón (ver masa en relatividad especial). Por ejemplo, un protón tiene una masa de aproximadamente 938  MeV / c 2 , de la cual la masa en reposo de sus tres quarks de valencia solo aporta alrededor de 9 MeV / c 2 ; gran parte del resto se puede atribuir a la energía de campo de los gluones. [83] [84] Véase Ruptura de la simetría quiral . El modelo estándar postula que las partículas elementales derivan sus masas del mecanismo de Higgs , que está asociado al bosón de Higgs . Se espera que una mayor investigación sobre las razones de la gran masa del quark top de ~ 173 GeV / c 2 , casi la masa de un átomo de oro, [83] [85]podría revelar más sobre el origen de la masa de los quarks y otras partículas elementales. [86]

Tamaño

En QCD, los quarks se consideran entidades puntuales, con tamaño cero. A partir de 2014, la evidencia experimental indica que no son más grandes de 10 a 4 veces el tamaño de un protón, es decir, menos de 10 a 19 metros. [87]

Tabla de propiedades

Ver también: Sabor (física de partículas)

La siguiente tabla resume las propiedades clave de los seis quarks. Los números cuánticos de sabor ( isospin ( I 3 ), encanto ( C ), extrañeza ( S , que no debe confundirse con giro), topness ( T ) y bottomness ( B ′)) se asignan a ciertos sabores de quark, y denotan cualidades de sistemas basados ​​en quarks y hadrones. El número bariónico ( B ) es de + 1 / 3 de todos los quarks, como bariones están hechos de tres quarks. Para los antiquarks, la carga eléctrica ( Q) y todos los números cuánticos de sabor ( B , I 3 , C , S , T y B ′) son de signo opuesto. La masa y el momento angular total ( J ; igual al giro de las partículas puntuales) no cambian de signo para los antiquarks.

Propiedades del aroma del quark [83]
PartículaMasa ( MeV / c 2 ) *JBQ ( e )Yo 3CSTB'Antipartícula
NombreSímboloNombreSímbolo
Primera generación
arriba
tu
2,3 ± 0,7  ± 0,51 / 2+ 1 / 3+ 2 / 3+ 1 / 20000antiup
tu
abajo
D
4,8 ± 0,5  ± 0,31 / 2+ 1 / 3- 1 / 3- 1 / 20000antidown
D
Segunda generación
encanto
C
1275 ± 251 / 2+ 1 / 3+ 2 / 30+1000anticharm
C
extraño
s
95 ± 51 / 2+ 1 / 3- 1 / 300−100antiextraño
s
Tercera generación
cima
t
173 210 ± 510 ± 710 *1 / 2+ 1 / 3+ 2 / 3000+10antitop
t
fondo
B
4180 ± 301 / 2+ 1 / 3- 1 / 30000−1antibottom
B

J = momento angular total , B = número de bariones , Q = carga eléctrica ,
I 3 = isospin , C = encanto , S = extrañeza , T = topness , B ′ = bottomness .

* Notación como173 210 ± 510  ± 710, en el caso del quark top, denota dos tipos de incertidumbre de medición : la primera incertidumbre es de naturaleza estadística y la segunda es sistemática .

Quarks interactuando

Ver también: Confinamiento de color y Gluon

Como lo describe la cromodinámica cuántica , la fuerte interacción entre quarks está mediada por gluones, bosones de calibre vectoriales sin masa . Cada gluón lleva una carga de color y una carga de anticolor. En el marco estándar de las interacciones de partículas (parte de una formulación más general conocida como teoría de perturbación ), los gluones se intercambian constantemente entre quarks a través de un virtualproceso de emisión y absorción. Cuando se transfiere un gluón entre quarks, se produce un cambio de color en ambos; por ejemplo, si un quark rojo emite un gluón rojo-antverde, se vuelve verde, y si un quark verde absorbe un gluón rojo-antverde, se vuelve rojo. Por lo tanto, aunque el color de cada quark cambia constantemente, se conserva su fuerte interacción. [88] [89] [90]

Dado que los gluones llevan carga de color, ellos mismos pueden emitir y absorber otros gluones. Esto provoca una libertad asintótica : a medida que los quarks se acercan, la fuerza de unión cromodinámica entre ellos se debilita. [91] Por el contrario, a medida que aumenta la distancia entre los quarks, la fuerza de unión se fortalece. El campo de color se tensiona, tanto como se tensiona una banda elástica cuando se estira, y se crean espontáneamente más gluones del color apropiado para fortalecer el campo. Por encima de un cierto umbral de energía, se crean pares de quarks y antiquarks . Estos pares se unen con la separación de los quarks, lo que hace que se formen nuevos hadrones. Este fenómeno se conoce como confinamiento de color : los quarks nunca aparecen de forma aislada. [92][93] Este proceso de hadronización ocurre antes de que los quarks, formados en una colisión de alta energía, puedan interactuar de cualquier otra manera. La única excepción es el quark top, que puede decaer antes de que se hadronice. [94]

Quarks de mar

Los hadrones contienen, junto con los quarks de valencia (
q
v) que contribuyen a sus números cuánticos , virtual quark-antiquark (
q

q
) pares conocidos como quarks de mar (
q
s). Los quarks marinos se forman cuando un gluón del campo de color del hadrón se divide; este proceso también funciona a la inversa, ya que la aniquilación de dos quarks marinos produce un gluón. El resultado es un flujo constante de divisiones de gluones y creaciones conocidas coloquialmente como "el mar". [95] Los quarks marinos son mucho menos estables que sus homólogos de valencia, y normalmente se aniquilan entre sí dentro del interior del hadrón. A pesar de esto, los quarks marinos pueden hadronizarse en partículas bariónicas o mesónicas en determinadas circunstancias. [96]

Otras fases de la materia de los quarks

Artículo principal: Materia QCD
Una representación cualitativa del diagrama de fases de la materia de los quarks. Los detalles precisos del diagrama son objeto de una investigación en curso. [97] [98]

En condiciones suficientemente extremas, los quarks pueden volverse "desconfinados" fuera de los estados ligados y propagarse como excitaciones "libres" térmicas en el medio más grande. En el curso de la libertad asintótica , la interacción fuerte se vuelve más débil al aumentar las temperaturas. Eventualmente, el confinamiento del color se perdería efectivamente en un plasma extremadamente caliente de quarks y gluones que se mueven libremente. Esta fase teórica de la materia se llama plasma de quarks-gluones . [99]

Las condiciones exactas necesarias para dar lugar a este estado se desconocen y han sido objeto de mucha especulación y experimentación. Una estimación pone la temperatura necesaria en(1,90 ± 0,02) × 10 12 kelvin . [100] Si bien nunca se ha logrado un estado de quarks y gluones completamente libres (a pesar de los numerosos intentos del CERN en las décadas de 1980 y 1990), [101] experimentos recientes en el Relativistic Heavy Ion Collider han arrojado evidencia de que la materia de los quarks de tipo líquido presenta Movimiento fluido "casi perfecto" . [102]

El plasma de quarks-gluones se caracterizaría por un gran aumento en el número de pares de quarks más pesados ​​en relación con el número de pares de quarks ascendentes y descendentes. Se cree que en el período anterior a 10-6 segundos después del Big Bang (la época de los quarks ), el universo estaba lleno de plasma de quarks-gluones, ya que la temperatura era demasiado alta para que los hadrones fueran estables. [103]

Dadas densidades de bariones suficientemente altas y temperaturas relativamente bajas, posiblemente comparables a las que se encuentran en las estrellas de neutrones , se espera que la materia de los quarks degenere en un líquido de Fermi de quarks que interactúan débilmente. Este líquido se caracteriza por una condensación de Quark coloreado pares de Cooper , de este modo romper la SU local (3) c simetría . Debido a que los pares de quarks de Cooper albergan cargas de color, tal fase de la materia de los quarks sería superconductora de color ; es decir, la carga de color podría atravesarlo sin resistencia. [104]

Ver también

  • Bloqueo de color-sabor
  • Fórmula de Koide
  • Momento magnético de neutrones
  • Preons
  • Quarkonium
  • Estrella de quark
  • Complementariedad Quark-Lepton

Notas

  1. ^ También existe la posibilidad teórica de fases más exóticas de la materia de los quarks .
  2. ^ La principal evidencia se basa en el ancho de resonancia delZ0bosón , que obliga al neutrino de cuarta generación a tener una masa mayor que ~45 GeV / c 2 . Esto contrastaría mucho con los neutrinos de las otras tres generaciones, cuyas masas no pueden exceder2 MeV / c 2 .
  3. ^ La violación de CP es un fenómeno que hace que las interacciones débiles se comporten de manera diferente cuando se intercambian la izquierda y la derecha ( simetría P ) y las partículas se reemplazan con sus correspondientes antipartículas ( simetría C ).
  4. ^ "Belleza" y "verdad" se contrastan en las últimas líneas delpoemade Keats de 1819 " Oda a una urna griega ", y pueden haber sido el origen de esos nombres. [63] [64] [65]
  5. ^ La probabilidad real de desintegración de un quark a otro es una función complicada de (entre otras variables) la masa del quark en descomposición, las masas de los productos de desintegración y el elemento correspondiente de la matriz CKM. Esta probabilidad es directamente proporcional (pero no igual) a la magnitud al cuadrado (| V ij  | 2 ) de la entrada CKM correspondiente.
  6. ^ A pesar de su nombre, la carga de color no está relacionada con el espectro de color de la luz visible.

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Otras lecturas

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  • R. Bowley; E. Copeland. "Quarks" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
  • DJ Griffiths (2008). Introducción a las partículas elementales (2ª ed.). Wiley – VCH . ISBN 978-3-527-40601-2.
  • ES Hughes (1985). Partículas elementales (2ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0-521-26092-3.
  • R. Oerter (2005). La teoría de casi todo: el modelo estándar, el triunfo oculto de la física moderna . Pi Press . ISBN 978-0-13-236678-6.
  • A. Pickering (1984). Construcción de quarks: una historia sociológica de la física de partículas . Prensa de la Universidad de Chicago . ISBN 978-0-226-66799-7.
  • B. Povh (1995). Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicos . Springer-Verlag . ISBN 978-0-387-59439-2.
  • M. Riordan (1987). La caza del quark: una historia real de la física moderna . Simon y Schuster . ISBN 978-0-671-64884-8.
  • BA Schumm (2004). Cosas profundas: la asombrosa belleza de la física de partículas . Prensa de la Universidad Johns Hopkins . ISBN 978-0-8018-7971-5.

enlaces externos

  • Conferencia del Premio Nobel de Física de 1969 a cargo de Murray Gell-Mann
  • Conferencia del Premio Nobel de Física de 1976 a cargo de Burton Richter
  • Conferencia del Premio Nobel de Física de 1976 por Samuel CC Ting
  • Conferencia del Premio Nobel de Física 2008 por Makoto Kobayashi
  • Conferencia del Premio Nobel de Física 2008 a cargo de Toshihide Maskawa
  • El quark superior y la partícula de Higgs de TA Heppenheimer  : una descripción del experimento del CERN para contar las familias de quarks.

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