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Cuarc

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 , las más estables de las cuales son los protones y neutrones , los componentes de los núcleos atómicos . [1] Toda la materia comúnmente observable está compuesta de quarks arriba, quarks abajo y electrones . Debido a un fenómeno conocido como confinamiento del 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 y gluones . [2] [3] [nb 1] Por esta razón, gran parte de lo que se sabe sobre los quarks se ha extraído de observaciones de hadrones.

Los quarks tienen varias propiedades intrínsecas , entre ellas carga eléctrica , masa , carga de color y 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 de quarks , conocidos como sabores : arriba , abajo , encantador , extraño , superior e inferior . [4] Los quarks arriba y abajo tienen las masas más bajas de todos los quarks. Los quarks más pesados ​​cambian rápidamente a quarks ascendentes y descendentes mediante 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 arriba y abajo son generalmente estables y los más comunes en el universo , mientras que los quarks extraños, encantadores, inferiores y superiores sólo pueden producirse en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y en aceleradores de partículas ). Para cada sabor de quark existe un tipo correspondiente de antipartícula , conocido como antiquark , que se diferencia del quark sólo en que algunas de sus propiedades (como la carga eléctrica) tienen la misma magnitud pero de 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 ordenamiento de hadrones, y hubo poca evidencia de su existencia física hasta que se realizaron profundos experimentos de dispersión inelástica en la Universidad de Stanford. Linear Accelerator Center en 1968. [6] [7] Los experimentos del programa Accelerator han proporcionado evidencia de los seis sabores. El quark top, observado por primera vez en el Fermilab en 1995, fue el último en ser descubierto. [5]

Clasificación

Una tabla de partículas de cuatro por cuatro. Las columnas son tres generaciones de materia (fermiones) y una de fuerzas (bosones). En las primeras tres columnas, dos filas contienen quarks y dos leptones. Las columnas de las dos filas superiores contienen quarks arriba (u) y abajo (d), quarks charm (c) y extraños (s), quarks superior (t) e inferior (b), y fotón (γ) y gluón (g). , respectivamente. Las columnas de las dos filas inferiores contienen neutrinos electrónicos (ν sub e) y electrones (e), neutrinos muónicos (ν sub μ) y muones (μ), y neutrinos tau (ν sub τ) y tau (τ), y Z sup. 0 y W sup ± fuerza débil. Se enumeran la masa, la carga y el espín de cada partícula.
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 tipos de quarks (
q
), nombrado (
tu
), abajo (
d
), extraño (
s
), encanto (
C
), abajo (
b
), y arriba (
t
). [4] Las antipartículas de quarks se denominan antiquarks y se indican con una barra sobre el símbolo del quark correspondiente, como
tu
para un antiquark arriba. 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 giran1/2partículas, lo que significa que son fermiones según el teorema de la estadística 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. [9] A diferencia de los leptones , los quarks poseen carga de color , lo que les hace participar 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" más abajo).

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 quarks, antiquarks y gluones virtuales "marinos" , que no influyen en sus números cuánticos. [10] Hay dos familias de hadrones: los bariones , con tres quarks de valencia, y los 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 conoce 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 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 quarks [13] pero no se descubrió hasta principios del siglo XXI. [14] [15] [16] [17]

Los fermiones elementales se agrupan en tres generaciones , cada una compuesta por dos leptones y dos quarks. La primera generación incluye quarks arriba y abajo, la segunda quarks extraños y encantadores, y la tercera quarks abajo y arriba. Todas las búsquedas de una cuarta generación de quarks y otros fermiones elementales han fracasado, [18] [19] y existe fuerte evidencia indirecta de que no existen más de tres generaciones. [nb 2] [20] [21] [22] Las partículas de generaciones superiores generalmente tienen mayor masa y menos estabilidad, lo que hace que se descompongan en partículas de generaciones inferiores mediante interacciones débiles . Sólo los quarks de primera generación (arriba y abajo) se encuentran comúnmente en la naturaleza. Los quarks más pesados ​​sólo pueden crearse en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos ) y se desintegran rápidamente; sin embargo, se cree que estuvieron presentes durante las primeras fracciones de segundo después del Big Bang , cuando el universo se encontraba 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 por ejemplo en aceleradores de partículas . [23]

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. [12] La gravitación es demasiado débil para ser relevante en las interacciones de partículas individuales, excepto en 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 Gell-Mann en 1961 de un sistema de clasificación de partículas conocido como Óctuple Vía. – o, en términos más técnicos, simetría de sabor SU(3) , simplificando 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 estuvo disponible en el modelo Sakata .

En el momento de los inicios 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 incluía tres tipos de quarks, arriba , abajo y extraño , a los que atribuyeron propiedades como el espín y la carga eléctrica. [24] [25] [26] La reacción inicial de la comunidad física a la propuesta fue mixta. Hubo especial controversia 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 del modelo Gell-Mann-Zweig. Sheldon Glashow y James Bjorken predijeron la existencia de un cuarto tipo de quark, al que llamaron charm . La adición se propuso 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 quarks. mesones conocidos . [31]

Los experimentos de dispersión inelástica profunda realizados en 1968 en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) y publicados el 20 de octubre de 1969, demostraron que el protón contenía objetos puntiagudos mucho más pequeños y, por lo tanto, no era una partícula elemental. [6] [7] [32] Los físicos se mostraron reacios a identificar firmemente estos objetos con quarks en ese momento, y en su lugar los llamaron " 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 descubrieran los otros sabores. [36] Sin embargo, "parton" sigue utilizándose como término colectivo para los constituyentes de los hadrones (quarks, antiquarks y gluones ). Richard Taylor , Henry Kendall y Jerome Friedman recibieron el Premio Nobel de Física en 1990 por su trabajo en SLAC.

Foto de las vías de la cámara de burbujas junto al diagrama de las mismas vías. Un neutrino (que no se ve en la fotografía) ingresa desde abajo y choca con un protón, produciendo un muón con carga negativa, tres piones con carga positiva y un pión con carga negativa, así como un barión lambda neutro (que no se ve en la fotografía). El barión lambda luego se desintegra en un protón y un pión negativo, produciendo un patrón en "V".
Fotografía del suceso que propició el descubrimiento del
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 sólo era un componente necesario del modelo de tres quarks de Gell-Mann y Zweig, sino que proporcionaba una explicación para el kaon (
k
) y pión (
π
) hadrones descubiertos en rayos cósmicos en 1947. [37]

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 charm, aún no descubierto . [38] [39] 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 [nb 3] [40] 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 Brookhaven bajo la dirección de Samuel Ting . Los quarks charm se observaron unidos con antiquarks charm en mesones. Las dos partes habían asignado al mesón descubierto dos símbolos diferentes, J y ψ ; por lo que pasó a ser conocido formalmente como el
J/ψ
mesón . El descubrimiento finalmente convenció a la comunidad física de la validez del modelo de quarks. [35]

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 [41] fue el primero en acuñar los términos superior e inferior para los quarks adicionales. [42]

En 1977, el quark inferior fue observado por un equipo del Fermilab dirigido por Leon Lederman . [43] [44] Este fue un fuerte indicador de la existencia del quark superior: sin el quark superior, el quark inferior no habría tenido pareja. No fue hasta 1995 que finalmente se observó el quark top, también por los equipos CDF [45] y DØ [46] en el Fermilab. [5] Tenía una masa mucho mayor de lo esperado, [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 de James Joyce de 1939, Finnegans Wake : [49]

– ¡Tres quarks para Muster Mark!
Seguro que no ha ladrado mucho
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 citadas anteriormente tratan sobre un coro de pájaros que se burla del rey Marcos de Cornualles en la leyenda de Tristán e Isolda . [51] Especialmente en las partes del mundo de habla alemana, sin embargo, existe una leyenda muy extendida de que Joyce lo había tomado de la palabra Quark , [52] una palabra alemana de origen eslavo que denota un queso cuajado , [53] pero También es un término coloquial para "tonterías triviales". [54] En la leyenda se dice que lo había oído en un viaje a Alemania en un mercado de agricultores en Friburgo . [55] [56] Algunos autores, sin embargo, 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, obtuve 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, para empezar, el grito de la gaviota) estaba claramente destinado a rimar con "Mark", así como con "ladrar" 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. Las palabras del texto suelen extraerse de varias fuentes a la vez, como las palabras " valija " de A través del espejo . De vez en cuando, aparecen frases en el libro que están parcialmente determinadas por llamadas a tomar una copa en el bar. Por lo tanto, sostuve que tal vez 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 con la forma en que se producen los quarks en la naturaleza.

Zweig prefería el nombre as para la partícula que había teorizado, pero la terminología de Gell-Mann cobró importancia una vez que el modelo de los quarks fue comúnmente aceptado. [59]

Los sabores de quark recibieron su nombre por varias razones. Los quarks arriba y abajo llevan el nombre de los componentes arriba y abajo del 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 una vida útil inusualmente larga. [61] Se cita a Glashow, quien copropuso el quark charm con Bjorken, diciendo: "Llamamos a nuestra construcción el 'quark charmed', porque estábamos fascinados y complacidos por la simetría que trajo al mundo subnuclear". [62] Los nombres "inferior" y "superior", acuñados por Harari, fueron elegidos porque son "compañeros lógicos para los quarks arriba y abajo". [41] [42] [61] Los nombres alternativos para los quarks inferiores y superiores son "belleza" y "verdad" respectivamente, [nb 4] pero estos nombres han caído en desuso. [66] Si bien la "verdad" nunca tuvo éxito, los complejos aceleradores dedicados a la producción masiva de quarks inferiores a veces se denominan " fábricas de belleza ". [67]

Propiedades

Carga eléctrica

Los quarks tienen valores de carga eléctrica fraccionaria , ya sea (-1/3) o (+2/3) multiplicado por la carga elemental (e), dependiendo del sabor. Los quarks up, charm y top (denominados colectivamente quarks de tipo up ) tienen una carga de +2/3 mi; Los quarks abajo, extraños y abajo ( quarks de tipo abajo ) tienen una carga de -1/3 mi. Los antiquarks tienen carga opuesta a sus correspondientes quarks; Los antiquarks de tipo up tienen cargas de:2/3 e y los antiquarks de tipo down tienen cargas de +1/3 mi. Dado que la carga eléctrica de un hadrón es la suma de las cargas de los quarks que lo constituyen, todos los hadrones tienen cargas enteras: siempre resulta la combinación de tres quarks (bariones), tres antiquarks (antibariones) o un quark y un antiquark (mesones). en cargas enteras. [68] Por ejemplo, los constituyentes hadrónicos de los núcleos atómicos, neutrones y protones, tienen cargas de 0 e y +1 e respectivamente; el neutrón está compuesto por dos quarks abajo y un quark arriba, y el protón por dos quarks arriba y un quark abajo. [12]

Girar

El espín es una propiedad intrínseca de las partículas elementales y su dirección es un grado de libertad importante . 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 en escalas subatómicas porque se cree que las partículas elementales tienen forma de puntos . [69]

El espín 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 sólo puede producir los valores +ħ/2o -ħ/2; por esta razón los quarks se clasifican como spin-1/2partículas. [70] El componente de giro a lo largo de un eje determinado (por convención, el eje z ) a menudo se indica mediante una flecha hacia arriba ↑ para el valor +1/2y flecha hacia abajo ↓ para el valor −1/2, colocado después del símbolo de sabor. Por ejemplo, un quark up con espín +1/2a lo largo del eje z se denota por u ↑. [71]

Interacción débil

Un diagrama de árbol que consta principalmente de flechas rectas. Un quark abajo se bifurca en un quark arriba y en un bosón W [superíndice menos] de flecha ondulada, este último se bifurca en un electrón y un antineutrino electrónico de flecha invertida.
Diagrama de Feynman de desintegración beta con el tiempo fluyendo hacia arriba. La matriz CKM (que se analiza más adelante) codifica la probabilidad de esta y otras desintegraciones de quarks.

Un quark de un tipo puede transformarse en un quark de otro tipo sólo mediante 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 arriba (quarks arriba, charm y top) puede transformarse en cualquier quark de tipo abajo (quarks abajo, extraño y abajo) 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 (
v
mi) (ver imagen). Esto ocurre cuando uno de los quarks down del neutrón (
tu

d

d
) se desintegra 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 antineutrino electrónico. [72]

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 que implican la detección de neutrinos .

Tres bolas "u", "c" y "t", denominadas "quarks de tipo arriba", se encuentran encima de tres bolas "d", "s", "b", denominadas "quarks de tipo abajo". Las bolas "u", "c" y "t" están alineadas verticalmente con las bolas "d", "s" y b" respectivamente. Las líneas de colores conectan los quarks "tipo arriba" y "tipo abajo", con la oscuridad del color indicando la fuerza de la interacción débil entre los dos; Las líneas "d" a "u", "c" a "s" y "t" a "b" son oscuras; Las líneas "c " a "d" y "s" a "u" son grisáceos; y las líneas "b" a "u", "b" a "c", "t" a "d" y "t" a "s " son casi blancos.
Los puntos fuertes 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 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: [73]

donde V ij representa la tendencia de un quark de sabor i a transformarse en un quark de sabor j (o viceversa). [nota 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 las dos aún no están claros. [75]

Fuerte interacción y carga de color.

Una flecha verde y magenta ("antiverde") que se anulan entre sí en blanco, representando un mesón; una flecha roja, verde y azul que se cancela a blanco, representando un barión; una flecha amarilla ("antiazul"), magenta y cian ("antiroja") que se anula en blanco, lo que representa un antibarión.
Todos los tipos de hadrones tienen carga de color total cero.
El patrón de cargas fuertes para los tres colores de quarks, 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, denominados arbitrariamente azul , verde y rojo . [nb 6] Cada uno de ellos se complementa con un anticolor: antiazul , antiverde y antirojo . 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 llama interacción fuerte , la cual está mediada por partículas portadoras de fuerza conocidas como gluones ; esto se analiza detalladamente a continuación. La teoría que describe las interacciones fuertes se llama cromodinámica cuántica (QCD). Un quark, que tendrá un valor de color único, puede formar un sistema ligado con un antiquark que lleve el anticolor correspondiente. El resultado de la atracción de dos quarks 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 un mesón . Esto es análogo al modelo de color aditivo en óptica básica . De manera similar, la combinación de tres quarks, cada uno con cargas de color diferentes, o tres antiquarks, cada uno con cargas anticolor diferentes, dará como resultado la misma carga de color "blanca" y la formación de un barión o antibarión . [77]

En la física de partículas moderna, las simetrías calibre (una especie de grupo de simetría ) relacionan interacciones entre partículas (ver teorías calibre ). 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 identifica 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 que actúan como portadores de fuerza. [78] [81]

Masa

Comparación de las masas actuales de quarks de los seis sabores, como bolas de volúmenes proporcionales. El protón (gris) y el electrón  (rojo) se muestran en la esquina inferior izquierda a escala.

Se utilizan dos términos para referirse a la masa de un quark: la masa actual del quark se refiere a la masa de un quark por sí solo, mientras que la masa del quark constituyente se refiere a la masa actual del quark más la masa del campo de partículas de gluones que rodea al quark. [82] Estas masas suelen tener valores muy diferentes. La mayor parte de la masa de un hadrón proviene de los gluones que unen a los quarks constituyentes, más que de los quarks mismos. Si bien los gluones son inherentemente carentes de masa, poseen energía –más específicamente, energía de enlace de la cromodinámica cuántica (QCBE)– y es esto 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 aproximadamente938  MeV/ c 2 , de los cuales la masa en reposo de sus tres quarks de valencia sólo contribuye aproximadamente9 MeV/ c2 ; gran parte del resto puede atribuirse a la energía de campo de los gluones [83] [84] (ver ruptura de la simetría quiral ). El modelo estándar postula que las partículas elementales obtienen sus masas del mecanismo de Higgs , que está asociado al bosón de Higgs . Se espera que se realicen más investigaciones sobre las razones de la gran masa 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, de tamaño cero. En 2014, la evidencia experimental indica que no miden más de 10 −4 veces el tamaño de un protón, es decir, menos de 10 −19 metros. [87]

Tabla de propiedades

La siguiente tabla resume las propiedades clave de los seis quarks. Los números cuánticos de sabor ( isospin ( I 3 ), encanto ( C ), extrañeza ( S , no confundir con spin), cima ( T ) y fondo ( B ′)) se asignan a ciertos sabores de quarks y denotan cualidades de Sistemas basados ​​en quarks y hadrones. El número bariónico ( B ) es +1/3para todos los quarks, ya que los bariones están formados por 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 espín de las partículas puntuales) no cambian de signo para los antiquarks.


J = momento angular total , B = número bariónico , Q = carga eléctrica ,
I 3 = isospin , C = encanto , S = extrañeza , T = cima , B ′ = fondo .

* 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 que interactúan

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 anticolor. En el marco estándar de interacciones de partículas (parte de una formulación más general conocida como teoría de la perturbación ), los gluones se intercambian constantemente entre quarks a través de un proceso virtual de emisión y absorción. Cuando un gluón se transfiere entre quarks se produce un cambio de color en ambos; por ejemplo, si un quark rojo emite un gluón rojo-antiverde, se vuelve verde, y si un quark verde absorbe un gluón rojo-antiverde, 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 son capaces de emitir y absorber otros gluones. Esto provoca libertad asintótica : a medida que los quarks se acercan entre sí, la fuerza de unión cromodinámica entre ellos se debilita. [91] Por el contrario, a medida que aumenta la distancia entre quarks, la fuerza de unión se fortalece. El campo de color se tensiona, de forma muy parecida a como se tensiona una banda elástica cuando se estira, y espontáneamente se crean más gluones del color apropiado para fortalecer el campo. Por encima de un determinado umbral de energía, se crean pares de quarks y antiquarks . Estos pares se unen a los quarks que se separan, provocando la formación de nuevos hadrones. Este fenómeno se conoce como confinamiento del 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 desintegrarse antes de hadronizarse. [94]

quarks marinos

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

q
) pares conocidos como quarks marinos (
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 en el 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.

El plasma de quarks-gluones existe a temperaturas muy altas; la fase hadrónica existe a temperaturas y densidades bariónicas más bajas, en particular la materia nuclear para temperaturas relativamente bajas y densidades intermedias; La superconductividad del color existe a temperaturas suficientemente bajas y densidades altas.
Una representación cualitativa del diagrama de fases de la materia quark. Los detalles precisos del diagrama son objeto de investigaciones en curso. [97] [98]

En condiciones suficientemente extremas, los quarks pueden "desconfinarse" fuera de sus estados limitados y propagarse como excitaciones "libres" termalizadas en el medio más grande. En el curso de la libertad asintótica , la interacción fuerte se vuelve más débil al aumentar la temperatura. Con el tiempo, 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 sitúa la temperatura necesaria en(1,90 ± 0,02) × 10 12 grados Kelvin . [100] Si bien nunca se ha logrado un estado de quarks y gluones completamente libres (a pesar de numerosos intentos del CERN en las décadas de 1980 y 1990), [101] experimentos recientes en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​han arrojado evidencia de que la materia de quarks similar a un líquido exhibe 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 arriba y abajo. Se cree que en el período anterior a los 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 bariónicas suficientemente altas y temperaturas relativamente bajas (posiblemente comparables a las encontradas 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 caracterizaría por una condensación de pares de quarks Cooper coloreados , rompiendo así la simetría local SU(3) c . Debido a que los pares de quarks Cooper albergan carga de color, dicha fase de la materia de quarks sería superconductora de color ; es decir, la carga de color podría atravesarlo sin resistencia. [104]

Ver también

Notas explicatorias

  1. ^ También existe la posibilidad teórica de que existan fases más exóticas de la materia de los quarks.
  2. ^ La evidencia principal se basa en el ancho de resonancia del
    z0
    bosón     , que obliga al neutrino de cuarta generación a tener una masa mayor que ~45 GeV/ c2 . Esto contrastaría mucho con los neutrinos de las otras tres generaciones, cuyas masas no pueden exceder2 MeV / c2 .
  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 antipartículas correspondientes ( simetría C ).
  4. ^ "Belleza" y "verdad" se contrastan en las últimas líneas del poema de Keats de 1819 " Oda a una urna griega " y puede haber sido el origen de esos nombres. [63] [64] [65]
  5. ^ La probabilidad real de desintegración de un quark en otro es una función complicada de (entre otras variables) la masa del quark en desintegración, 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 colores de la luz visible.

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