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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 , 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; solo 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, 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 la carga eléctrica , la masa , la carga de color y el espín . Son las únicas partículas elementales del 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: up , down , charm , strange , top y bottom . [4] Los quarks up y down tienen las masas más bajas de todos los quarks. Los quarks más pesados ​​se transforman rápidamente en quarks up y down 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 strange, charm, bottom y top solo se pueden producir en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y en aceleradores de partículas ). Para cada sabor de quark hay un tipo correspondiente de antipartícula , conocido 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 independientemente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964. [5] Los quarks fueron introducidos como partes de un esquema de ordenamiento para hadrones, y hubo poca evidencia de su existencia física hasta los experimentos de dispersión inelástica profunda en el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford en 1968. [6] [7] Los experimentos del programa de aceleradores han proporcionado evidencia de los seis sabores. El quark top, observado por primera vez en Fermilab en 1995, fue el último en ser descubierto. [5]

Clasificación

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 up (u) y down (d), quarks charm (c) y strange (s), quarks top (t) y bottom (b), y fotón (γ) y gluón (g), respectivamente. Las columnas de las dos filas inferiores contienen neutrino electrónico (ν sub e) y electrón (e), neutrino muónico (ν sub μ) y muón (μ), y neutrino 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 (mostrados en violeta). Cada una de las primeras tres 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 arriba (
tú
), abajo (
d
), extraño (
s
), encanto (
do
), abajo (
b
), y arriba (
a
). [4] Las antipartículas de los quarks se denominan antiquarks y se indican mediante una barra sobre el símbolo del quark correspondiente, como
tú
para un antiquark hacia arriba. Como ocurre con la antimateria en general, los antiquarks tienen la misma masa, tiempo de vida medio y espín que sus respectivos quarks, pero la carga eléctrica y otras cargas tienen el signo opuesto. [8]

Los quarks son partículas de espín .1/2⁠ partículas, lo que significa que son fermiones según el teorema de estadística de espín . Están sujetos al principio de exclusión de Pauli , que establece que no pueden existir dos fermiones idénticos que ocupen 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 la interacción fuerte . La atracción resultante entre diferentes quarks provoca la formación de partículas compuestas conocidas como hadrones (véase § 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 quarks "mar" virtuales , antiquarks y gluones , que no influyen en sus números cuánticos. [10] Existen 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 bloques de construcción del núcleo atómico . [12] Se conoce un gran número de hadrones (véase 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. Se ha demostrado 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 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 fracasado, [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 desintegran en partículas de generaciones inferiores por medio de interacciones débiles . Solo los quarks de primera generación (up y down) ocurren comúnmente en la naturaleza. Los quarks más pesados ​​solo pueden crearse en colisiones de alta energía (como en 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 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]

Los quarks, que poseen carga eléctrica, masa, carga de color y sabor, 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 como para ser relevante para las interacciones de partículas individuales, excepto en los extremos de las escalas de energía ( energía de Planck ) y distancia ( distancia de Planck ). Sin embargo, dado que no existe una teoría cuántica exitosa de la gravedad , la gravitación no está descrita por el Modelo Estándar.

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 independientemente por los físicos Murray Gell-Mann [24] y George Zweig [25] [26] en 1964. [5] La propuesta llegó poco después de la formulación de Gell-Mann en 1961 de un sistema de clasificación de partículas conocido como el Camino Óctuple - o, en términos más técnicos, simetría de sabor SU(3) , simplificando su estructura. [27] El físico Yuval Ne'eman había desarrollado independientemente un esquema similar al Camino Óctuple en el mismo año. [28] [29] Un intento temprano de organización de constituyentes estaba disponible en el modelo de Sakata .

En el momento de la creación de la teoría de los quarks, el « zoológico de partículas » incluía una 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, up , down y strange , a los que les atribuían propiedades como el espín y la carga eléctrica. [24] [25] [26] La reacción inicial de la comunidad de físicos ante 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 del todo 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 mesones conocidos . [31]

Los experimentos de dispersión inelástica profunda realizados en 1968 en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) y publicados el 20 de octubre de 1969, mostraron que el protón contenía objetos mucho más pequeños, puntuales 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 " partones ", un término acuñado por Richard Feynman . [33] [34] [35] Los objetos que se observaron en SLAC se identificarían más tarde como quarks up y down a medida que se descubrieron los otros sabores. [36] Sin embargo, "partón" sigue utilizándose como un 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 de 1990 por su trabajo en SLAC.

Fotografía de las pistas de la cámara de burbujas junto a un diagrama de las mismas pistas. Un neutrino (que no se ve en la fotografía) entra desde abajo y choca con un protón, lo que produce 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 se desintegra en un protón y un pión negativo, lo que produce un patrón en forma de "V".
Fotografía del evento que dio lugar al descubrimiento del
Σ++
cBarión , en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1974

La existencia del quark extraño fue validada indirectamente por los experimentos de dispersión de SLAC: no solo fue un componente necesario del modelo de tres quarks de Gell-Mann y Zweig, sino que proporcionó una explicación para el kaón (
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 mecanismo GIM (llamado así por sus iniciales) para explicar la no observación experimental de corrientes neutrales que cambian el sabor . Este modelo teórico requería la existencia del aún no descubierto quark charm . [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 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 de Brookhaven bajo la dirección de Samuel Ting . Los quarks charm fueron observados unidos con antiquarks charm en mesones. Los dos equipos habían asignado al mesón descubierto dos símbolos diferentes, J y ψ ; por lo tanto, se lo conoció formalmente como el
J/ψ
mesón . 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 ampliar el modelo de quarks a seis quarks. De ellas, el artículo de 1975 de Haim Harari [41] fue el primero en acuñar los términos top y bottom para los quarks adicionales. [42]

En 1977, un equipo del Fermilab dirigido por Leon Lederman observó el quark bottom . [43] [44] Esto fue un fuerte indicador de la existencia del quark top: sin el quark top, el quark bottom se habría quedado sin compañero. No fue hasta 1995 que finalmente se observó el quark top, también por los equipos CDF [45] y DØ [46] del 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 exacta 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 tiene mucho ladrido
y seguro que si tiene, está fuera de lugar.

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] Sin embargo, especialmente en las partes del mundo de habla alemana, existe una leyenda muy extendida de que Joyce la había tomado de la palabra Quark , [52] una palabra alemana de origen eslavo que denota un requesón , [53] pero que también es un término coloquial para "tonterías triviales". [54] En la leyenda se dice que lo había escuchado en un viaje a Alemania en un mercado de agricultores 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 El quark y el jaguar : [58]

En 1963, cuando asigné el nombre de "quark" a los constituyentes fundamentales del nucleón, primero encontré el sonido, sin la ortografía, que podría haber sido "kwork". Luego, en una de mis lecturas ocasionales de Finnegans Wake , de James Joyce, me encontré con la palabra "quark" en la frase "Three quarks for Muster Mark". Dado que "quark" (que significa, por ejemplo, el grito de la gaviota) estaba claramente destinado a rimar con "Mark", así como con "bark" 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 " combinadas " en Through the Looking-Glass . De vez en cuando, aparecen frases en el libro que están parcialmente determinadas por los pedidos de bebidas en el bar. Argumenté, por tanto, que quizá una de las múltiples fuentes del grito "Tres quarks para Muster Mark" podría ser "Tres quarts 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 los quarks se producen en la naturaleza.

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

Los quarks recibieron su nombre por varias razones. Los quarks up y down reciben su nombre de los componentes up y down del isospín , que llevan. [60] Los quarks strange 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] Se cita a Glashow, quien copropuso el quark charm con Bjorken, diciendo: "Llamamos a nuestro constructo el 'quark charm', porque estábamos fascinados y complacidos por la simetría que trajo 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 un poco en desuso. [66] Aunque la "verdad" nunca se popularizó, los complejos aceleradores dedicados a la producción masiva de quarks bottom a veces son llamados " fábricas de belleza ". [67]

Propiedades

Carga eléctrica

Los quarks tienen valores de carga eléctrica fraccionaria , ya sea (− ⁠1/3⁠ ) ​​o (+ ⁠2/3⁠ ) ​​veces 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  e; los quarks down, strange y bottom ( quarks de tipo down ) tienen una carga de − ⁠1/3⁠  e. Los antiquarks tienen la carga opuesta a sus quarks correspondientes; los antiquarks de tipo up tienen cargas de − ⁠2/3Los antiquarks de tipo e  y down tienen cargas de +1/3⁠  e. Puesto 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 cargas enteras. [68] Por ejemplo, los constituyentes hadrónicos de los núcleos atómicos, los neutrones y los protones, tienen cargas de 0 e y +1 e respectivamente; el neutrón está compuesto de dos quarks down y un quark up, y el protón de dos quarks up y un quark down. [12]

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 "espín"), aunque esta noción es algo errónea a escalas subatómicas porque se cree que las partículas elementales son puntuales . [69]

El espín se puede representar mediante un vector cuya longitud se mide en unidades de la constante de Planck reducida ħ (pronunciada "h bar"). Para los quarks, una medición del componente del vector de espín a lo largo de cualquier eje solo puede arrojar los valores + ⁠Yo/2⁠ o − ⁠Yo/2⁠ ; por esta razón los quarks se clasifican como de espín .1/2⁠ partículas. [70] El componente de giro a lo largo de un eje dado –por convención el eje z– se denota a menudo mediante 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 + ⁠1/2⁠ a lo largo del eje z se denota por u↑. [71]

Interacción débil

Diagrama de árbol que consta principalmente de flechas rectas. Un quark down se bifurca en un quark up y un bosón W[superscript minus] con flecha ondulada, este último se bifurca en un electrón y un antineutrino electrónico con flecha invertida.
Diagrama de Feynman de la desintegración beta con el tiempo fluyendo hacia arriba. La matriz CKM (que se analiza a continuación) codifica la probabilidad de esta y otras 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 (quarks up, charm y top) puede transformarse en cualquier quark de tipo down (quarks down, strange y bottom) y viceversa. Este mecanismo de transformación de 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 (
no
mi) (ver imagen). Esto ocurre cuando uno de los quarks down en el neutrón (
tú

d

d
) se desintegra en un quark up emitiendo un
Yo−
bosón, transformando el neutrón en un protón (
tú

tú

d
). El
Yo−
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 rutinariamente en aplicaciones médicas como la tomografía por emisión de positrones (PET) y en experimentos que involucran la detección de neutrinos .

Tres bolas "u", "c" y "t", denominadas "quarks de tipo up", se encuentran sobre tres bolas "d", "s" y "b", denominadas "quarks de tipo down". Las bolas "u", "c" y "t" están alineadas verticalmente con las bolas "d", "s" y "b", respectivamente. Las líneas de colores conectan los quarks "de tipo up" y "de tipo down", y la oscuridad del color indica la fuerza de la interacción débil entre ambos. Las líneas "d" a "u", "c" a "s" y "t" a "b" son oscuras. Las líneas "c" a "d" y "s" a "u" son grisáceas. Las líneas "b" a "u", "b" a "c", "t" a "d" y "t" a "s" son casi blancas.
La intensidad 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 de sabor es el mismo para todos los quarks, cada uno de ellos 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). Aplicando 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 de 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 una magenta ("antiverde") que se cancelan entre sí en blanco, lo que representa un mesón; una flecha roja, una verde y una azul que se cancelan en blanco, lo que representa un barión; una flecha amarilla ("antiazul"), una magenta y una cian ("antirroja") que se cancelan 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, arbitrariamente etiquetados como 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 , que está mediada por partículas portadoras de fuerza conocidas como gluones ; esto se analiza en profundidad 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 ligado con un antiquark que lleve el anticolor correspondiente. El resultado de dos quarks que se atraen será la neutralidad de 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 diferentes cargas de color, o tres antiquarks, cada uno con diferentes cargas de anticolor, dará como resultado la misma carga de color "blanco" y la formación de un barión o antibaryon . [77]

En la física de partículas moderna, las simetrías de calibre (un tipo de grupo de simetría ) relacionan las interacciones entre partículas (ver teorías de calibre ). La SU(3) de color (comúnmente abreviada como SU(3) c ) es la simetría de calibre que relaciona la carga de color en los quarks y es la simetría definitoria de 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 rotan 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 los quarks, [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 debe ser 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 actúen como sus portadores de fuerza. [78] [81]

Masa

Comparación de las masas actuales de los 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 modo de 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 mismo, 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, en lugar de los quarks mismos. Si bien los gluones son inherentemente sin masa, poseen energía, más específicamente, energía de enlace de 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/ c 2 ; gran parte del resto puede atribuirse 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 la QCD, los quarks se consideran entidades puntuales, de tamaño cero. A partir de 2014, la evidencia experimental indica que no son más grandes que 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 ( isospín ( I3 ), encanto ( C ), extrañeza ( S , que no debe confundirse con espín), superioridad ( T ) y inferioridad ( B ′)) se asignan a ciertos sabores de quarks y denotan cualidades de los sistemas basados ​​en quarks y hadrones. El número bariónico ( B ) es + ⁠1/3⁠ para 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 para partículas puntuales) no cambian de signo para los antiquarks.


J = momento angular total , B = número bariónico , Q = carga eléctrica ,
I 3 = isospín , C = encanto , S = extrañeza , T = superioridad , B ′ = inferioridad .

* 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

Como se describe en la cromodinámica cuántica , la interacción fuerte entre quarks está mediada por gluones, bosones de calibración 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 perturbaciones ), 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, su interacción fuerte se conserva. [88] [89] [90]

Como los gluones tienen 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 los quarks, la fuerza de unión se fortalece. El campo de color se tensiona, de forma muy similar a 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 los quarks que se separan, lo que hace que se formen nuevos hadrones. Este fenómeno se conoce como confinamiento de color : los quarks nunca aparecen aislados. [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 hadronizarse. [94]

quarks marinos

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

q
) pares conocidos como quarks de mar (
q
s). Los quarks mar 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 mar produce un gluón. El resultado es un flujo constante de divisiones y creaciones de gluones conocido coloquialmente como "el mar". [95] Los quarks mar son mucho menos estables que sus contrapartes de valencia y, por lo general, se aniquilan entre sí dentro del interior del hadrón. A pesar de esto, los quarks mar pueden hadronizarse en partículas bariónicas o mesónicas en ciertas circunstancias. [96]

Otras fases de la materia de quarks

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

En condiciones suficientemente extremas, los quarks pueden "desconfinarse" fuera de los estados ligados y propagarse como excitaciones "libres" termalizadas en el medio más grande. En el curso de la libertad asintótica , la interacción fuerte se debilita a medida que aumentan las temperaturas. Finalmente, el confinamiento del color se perdería efectivamente en un plasma extremadamente caliente de quarks y gluones en movimiento libre. Esta fase teórica de la materia se llama plasma de quarks y gluones . [99]

Se desconocen las condiciones exactas necesarias para que se produzca este estado y han sido objeto de mucha especulación y experimentación. Una estimación sitúa la temperatura necesaria en(1,90 ± 0,02) × 10 12 kelvin . [100] Aunque nunca se ha logrado un estado de quarks y gluones completamente libres (a pesar de numerosos intentos del CERN en los años 1980 y 1990), [101] experimentos recientes en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas han proporcionado evidencia de que la materia de quarks similar a un líquido exhibe un movimiento de fluido "casi perfecto" . [102]

El plasma de quarks y gluones se caracterizaría por un gran aumento del número de pares de quarks más pesados ​​en relación con el número de pares de quarks up y down. Se cree que en el período anterior a los 10 −6 segundos posteriores al Big Bang (la época de los quarks ), el universo estaba lleno de plasma de quarks y 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 estrellas de neutrones– se espera que la materia de quarks degenere en un líquido de Fermi de quarks que interactúan débilmente. Este líquido se caracterizaría por una condensación de pares de Cooper de quarks coloreados , rompiendo así la simetría local SU(3) c . Debido a que los pares de Cooper de quarks albergan carga de color, dicha fase de materia de quarks sería superconductora de color ; es decir, la carga de color podría pasar a través de ella sin resistencia. [104]

Véase también

Notas explicativas

  1. ^ También existe la posibilidad teórica de fases más exóticas de materia de quarks.
  2. ^ La evidencia principal se basa en el ancho de resonancia de la
    O0
    bosón     , que obliga al neutrino de cuarta generación a tener una masa mayor que ~45 GeV/ c 2 . Esto sería muy contrastante 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 pueden haber sido el origen de esos nombres. [63] [64] [65]
  5. ^ La probabilidad real de desintegración de un quark en otro es una función compleja 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) al cuadrado de la magnitud (| 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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