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Cuarc

Un quark ( / ˈ k w ɔːr k , ˈ k w ɑːr k / ⓘ ) es un tipo de partícula elemental y un constituyente fundamental de la materia . Los quarks se combinan para formar partículas compu...

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Un quark ( / ˈ k w ɔːr k , ˈ k w ɑːr k /ⓘ ) es un tipo departícula elementaly un constituyente fundamental dela materia. Los quarks se combinan para formarpartículas compuestasllamadashadrones, de las cuales los más estables sonlos protonesyneutrones, componentes de losnúcleos atómicos. [ 1 ] Toda la materia comúnmente observable está compuesta de quarks up, quarks down yelectrones. Debido a un fenómeno conocido comoconfinamiento de color, los quarks nunca se encuentran aislados; solo se pueden encontrar dentro de hadrones, que incluyenbariones(como protones y neutrones) ymesones, o enplasmas de quarks y gluones. [ 2 ] [ 3 ] [ nb 1 ] Por esta razón, gran parte de lo que se sabe sobre los quarks se ha derivado de observaciones de hadrones.

Los quarks poseen diversas propiedades intrínsecas , como carga eléctrica , masa , carga de color y espín . Son las únicas partículas elementales del Modelo Estándar de la 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 , cima y fondo . [ 4 ] Los quarks arriba y abajo tienen las masas más bajas de todos los quarks. Los quarks más pesados ​​se transforman rápidamente en quarks arriba y abajo a través de un proceso de 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 extraño, encanto, fondo y cima solo pueden producirse 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 , conocida como antiquark , que difiere del quark solo en que algunas de sus propiedades (como la carga eléctrica) tienen igual 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 se introdujeron como parte de un esquema de ordenamiento para hadrones, y había poca evidencia de su existencia física hasta los experimentos de dispersión inelástica profunda en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford en 1968. [ 6 ] [ 7 ] Los experimentos del programa del acelerador 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

Una tabla de partículas de cuatro por cuatro. Las columnas representan tres generaciones de materia (fermiones) y una de fuerzas (bosones). En las tres primeras columnas, dos filas contienen quarks y dos leptones. Las columnas de las dos filas superiores contienen quarks arriba (u) y abajo (d), quarks encanto (c) y extraño (s), quarks cima (t) y fondo (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), neutrino tauónico (ν sub τ) y tau (τ), y la fuerza débil Z sup 0 y W sup ±. Se indican la masa, la carga y el espín de cada partícula.
Seis de las partículas del Modelo Estándar son quarks (mostradas en color púrpura). 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 ), denominados arriba ( u ), abajo ( d ), extraño ( s ), encanto ( c ), fondo ( b ) y cima ( t ). [ 4 ] Las antipartículas de los quarks se llaman antiquarks y se denotan con una barra sobre el símbolo del quark correspondiente, como u para un antiquark arriba. Al igual que la antimateria en general, los antiquarks tienen la misma masa, vida media y espín que sus respectivos quarks, pero la carga eléctrica y otras cargas tienen signo opuesto. [ 8 ]

Los quarks son partículas de espín 1/2 , lo que significa que son fermiones según el teorema de espín-estadística . 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 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 más adelante).

Los quarks que determinan los números cuánticos de los hadrones se llaman quarks de valencia ; aparte de estos, cualquier hadrón puede contener un número indefinido de quarks, antiquarks y gluones virtuales del " mar " , 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 bloques de construcción del núcleo atómico . [ 12 ] Se conoce un gran número de hadrones (véase la lista de bariones y la lista de mesones ), la mayoría de ellos diferenciados por su contenido de quarks y las propiedades que estos quarks constituyentes confieren. 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 ]

Elementary fermions are grouped into three generations, each comprising two leptons and two quarks. The first generation includes up and down quarks, the second strange and charm quarks, and the third bottom and top quarks. All searches for a fourth generation of quarks and other elementary fermions have failed,[18][19] and there is strong indirect evidence that no more than three generations exist.[nb 2][20][21][22] Particles in higher generations generally have greater mass and less stability, causing them to decay into lower-generation particles by means of weak interactions. Only first-generation (up and down) quarks occur commonly in nature. Heavier quarks can only be created in high-energy collisions (such as in those involving cosmic rays), and decay quickly; however, they are thought to have been present during the first fractions of a second after the Big Bang, when the universe was in an extremely hot and dense phase (the quark epoch). Studies of heavier quarks are conducted in artificially created conditions, such as in particle accelerators.[23]

Having electric charge, mass, color charge, and flavor, quarks are the only known elementary particles that engage in all four fundamental interactions of contemporary physics: electromagnetism, gravitation, strong interaction, and weak interaction.[12] Gravitation is too weak to be relevant to individual particle interactions except at extremes of energy (Planck energy) and distance scales (Planck distance). However, since no successful quantum theory of gravity exists, gravitation is not described by the Standard Model.

See the table of properties below for a more complete overview of the six quark flavors' properties.

History

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

The quark model was independently proposed by physicists Murray Gell-Mann[24] and George Zweig[25][26] in 1964.[5] The proposal came shortly after Gell-Mann's 1961 formulation of a particle classification system known as the Eightfold Way—or, in more technical terms, SU(3)flavor symmetry, streamlining its structure.[27] Physicist Yuval Ne'eman had independently developed a scheme similar to the Eightfold Way in the same year.[28][29] An early attempt at constituent organization was available in the Sakata model.

At the time of the quark theory's inception, the "particle zoo" included a multitude of hadrons, among other particles. Gell-Mann and Zweig posited that they were not elementary particles, but were instead composed of combinations of quarks and antiquarks. Their model involved three flavors of quarks, up, down, and strange, to which they ascribed properties such as spin and electric charge.[24][25][26] The initial reaction of the physics community to the proposal was mixed. There was particular contention about whether the quark was a physical entity or a mere abstraction used to explain concepts that were not fully understood at the time.[30]

In less than a year, extensions to the Gell-Mann–Zweig model were proposed. Sheldon Glashow and James Bjorken predicted the existence of a fourth flavor of quark, which they called charm. The addition was proposed because it allowed for a better description of the weak interaction (the mechanism that allows quarks to decay), equalized the number of known quarks with the number of known leptons, and implied a mass formula that correctly reproduced the masses of the known mesons.[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, mostraron que el protón contenía objetos puntuales mucho más pequeños y, por lo tanto, no era una partícula elemental. [ 6 ] [ 7 ] [ 32 ] En ese momento, los físicos se mostraron reacios a identificar firmemente estos objetos con quarks, llamándolos en cambio " partones ", 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, "partón" 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 de 1990 por su trabajo en SLAC.

Fotografía de las trayectorias de la cámara de burbujas junto a un diagrama de las mismas trayectorias. Un neutrino (no visible en la foto) entra desde abajo y colisiona 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 (no visible en la fotografía). El barión lambda se desintegra en un protón y un pión negativo, produciendo un patrón en forma de "V".
Fotografía del evento que condujo al descubrimiento del barión Σ ++ c , en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1974.

La existencia del quark extraño fue validada indirectamente por los experimentos de dispersión del SLAC: no solo era un componente necesario del modelo de tres quarks de Gell-Mann y Zweig, sino que también proporcionaba una explicación para los hadrones kaón ( K ) y pión ( π ) descubiertos en los 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 con cambio de sabor . Este modelo teórico requería la existencia del quark encanto 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 observaron que la observación experimental de la violación de CP [ nb 3 ] [ 40 ] podría explicarse si hubiera otro par de quarks.

Los quarks encanto fueron producidos casi simultáneamente por dos equipos en noviembre de 1974 (véase 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 encanto fueron observados ligados a antiquarks encanto en mesones. Ambos grupos asignaron al mesón descubierto dos símbolos diferentes, J y ψ; por lo tanto, se le conoció formalmente como el mesón J/ ψ . El descubrimiento finalmente convenció a la comunidad física 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 estas, el artículo de Haim Harari de 1975 [ 41 ] fue el primero en acuñar los términos top y bottom para los quarks adicionales. [ 42 ]

En 1977, el quark fondo fue observado por un equipo en Fermilab liderado por Leon Lederman . [ 43 ] [ 44 ] Esto fue un fuerte indicador de la existencia del quark cima: sin el quark cima, el quark fondo no habría tenido pareja. No fue hasta 1995 que el quark cima fue finalmente observado, también por los equipos CDF [ 45 ] y DØ [ 46 ] en 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 no se decidió 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 mucha ladrida, y seguro que la que tiene es irrelevante.

La palabra quark es una palabra inglesa antigua que significa croar [ 50 ] y las líneas citadas arriba se refieren a 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 extendida de que Joyce la tomó de la palabra Quark , [ 52 ] una palabra alemana de origen eslavo que denota un queso de cuajada , [ 53 ] pero también es un término coloquial para "tonterías triviales". [ 54 ] En la leyenda se dice que la escuchó 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 profundizó en 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 tuve el sonido, sin la ortografía, que podría haber sido "kwork". Luego, en una de mis lecturas ocasionales de Finnegans Wake , de James Joyce, me topé con la palabra "quark" en la frase "Three quarks for Muster Mark". Dado que "quark" (que significa, entre otras cosas, el grito de la gaviota) claramente pretendía 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 en el texto suelen provenir de varias fuentes a la vez, como las palabras " portmanteau " en Alicia a través del espejo . De vez en cuando, aparecen frases en el libro que están parcialmente determinadas por las peticiones de bebidas en el bar. Por lo tanto, argumenté 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 del todo desacertada. En cualquier caso, el número tres encajaba perfectamente con la forma en que se presentan los quarks en la naturaleza.

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

Los sabores de quarks recibieron sus nombres por varias razones. Los quarks arriba y abajo se nombran según los componentes arriba y abajo del isospín que portan. [ 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 medias inusualmente largas. [ 61 ] Glashow, quien copropuso el quark encanto con Bjorken, dijo: "Llamamos a nuestra construcción el 'quark encantado', porque estábamos fascinados y complacidos por la simetría que aportaba al mundo subnuclear". [ 62 ] Los nombres "superior" y "inferior", acuñados por Harari, se eligieron porque son "compañeros lógicos para los quarks arriba y abajo". [ 41 ] [ 42 ] [ 61 ] Los nombres alternativos para los quarks top y bottom son "verdad" y "belleza", [ nb 4 ] pero estos nombres han caído un poco en desuso. [ 66 ] Si bien "verdad" nunca se popularizó, los complejos aceleradores dedicados a la producción masiva de quarks bottom a veces se denominan " fábricas de belleza ". [ 67 ]

Propiedades

carga eléctrica

Los quarks tienen valores de carga eléctrica fraccionarios , 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 la de sus quarks correspondientes; los antiquarks de tipo up tienen cargas de − ⁠ 2 / 3 ⁠ e y los antiquarks de tipo down 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 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 down y un quark up, y el protón por dos quarks up y un quark down. [ 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 " 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 barra"). Para los quarks, una medición de la componente del vector de espín a lo largo de cualquier eje solo puede dar los valores + ⁠ ħ / 2 ⁠ o − ⁠ ħ / 2 ⁠ ; por esta razón, los quarks se clasifican como partículas de espín ⁠ 1 / 2 ⁠ . [ 70 ] La componente del espín a lo largo de un eje dado —por convención, el eje z— se suele denotar con una flecha hacia arriba ↑ para el valor + ⁠ 1 / 2 ⁠ y una flecha hacia abajo ↓ para el valor − ⁠ 1 / 2 ⁠ , colocadas después del símbolo del sabor. Por ejemplo, un quark arriba con un espín de + ⁠ 1 / 2 ⁠ a lo largo del eje z se denota por u↑. [ 71 ]

Interacción débil

Un diagrama de árbol compuesto principalmente por flechas rectas. Un quark abajo se bifurca en un quark arriba y un bosón W[superíndice menos] con flecha ondulada, este último bifurcándose en un electrón y un antineutrino electrónico con flecha invertida.
Diagrama de Feynman de la desintegración beta de un neutrón en protón , electrón y antineutrino electrónico a través de un W − virtual .bosón . El tiempo fluye hacia arriba. La matriz CKM (que se analiza más adelante) codifica la probabilidad de esta y otras desintegraciones de quarks.

Un quark de un sabor solo puede transformarse en un quark de otro sabor 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 arriba (quarks arriba, encanto y cima) puede cambiar en cualquier quark de tipo abajo (quarks abajo, extraño y fondo) y viceversa. Este mecanismo de transformación de sabor causa el proceso radiactivo de desintegración beta , en el que un neutrón ( n ) se "divide" en un protón ( p ), un electrón ( e⁻ ).) y un antineutrino electrónico ( νe ) (ver imagen). Esto ocurre cuando uno de los quarks down del neutrón (udd) se desintegra en un quark up emitiendo unW − virtualbosón, transformando el neutrón en un protón ( u u d ). El W −El bosón luego se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico. [ 72 ]

Both beta decay and the inverse process of inverse beta decay are routinely used in medical applications such as positron emission tomography (PET) and in experiments involving neutrino detection.

Tres esferas "u", "c" y "t", denominadas "quarks de tipo arriba", se sitúan sobre tres esferas "d", "s" y "b", denominadas "quarks de tipo abajo". Las esferas "u", "c" y "t" están alineadas verticalmente con las esferas "d", "s" y "b", respectivamente. Líneas de colores conectan los quarks de tipo arriba y de tipo abajo, y la intensidad del color indica la fuerza de la interacción débil entre ambos. Las líneas que conectan "d" con "u", "c" con "s" y "t" con "b" son oscuras; las líneas que conectan "c" con "d" y "s" con "u" son grisáceas; y las líneas que conectan "b" con "u", "b" con "c", "t" con "d" y "t" con "s" son casi blancas.
The strengths of the weak interactions between the six quarks. The "intensities" of the lines are determined by the elements of the CKM matrix.

While the process of flavor transformation is the same for all quarks, each quark has a preference to transform into the quark of its own generation. The relative tendencies of all flavor transformations are described by a mathematical table, called the Cabibbo–Kobayashi–Maskawa matrix (CKM matrix). Enforcing unitarity, the approximate magnitudes of the entries of the CKM matrix are:[73]

[|Vud||Vus||Vub||Vcd||Vcs||Vcb||Vtd||Vts||Vtb|]≈[0.9740.2250.0030.2250.9730.0410.0090.0400.999],{\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}},}

where Vij represents the tendency of a quark of flavor i to change into a quark of flavor j (or vice versa).[nb 5]

There exists an equivalent weak interaction matrix for leptons (right side of the W boson on the above beta decay diagram), called the Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrix (PMNS matrix).[74] Together, the CKM and PMNS matrices describe all flavor transformations, but the links between the two are not yet clear.[75]

Strong interaction and color charge

Una flecha verde y una magenta ("antiverde") que se anulan entre sí dando como resultado blanco, representan un mesón; una flecha roja, una verde y una azul que se anulan dando como resultado blanco, representan un barión; una flecha amarilla ("antiazul"), una magenta y una cian ("antiroja") que se anulan dando como resultado blanco, representan un antibarión.
All types of hadrons have zero total color charge.
The pattern of strong charges for the three colors of quark, three antiquarks, and eight gluons (with two of zero charge overlapping).

According to quantum chromodynamics (QCD), quarks possess a property called color charge. There are three types of color charge, arbitrarily labeled blue, green, and red.[nb 6] Each of them is complemented by an anticolor—antiblue, antigreen, and antired. Every quark carries a color, while every antiquark carries an anticolor.[76]

El sistema de atracción y repulsión entre quarks cargados con diferentes combinaciones de los tres colores se denomina interacción fuerte , mediada por partículas portadoras de fuerza conocidas como gluones ; esto se analiza en detalle más adelante. La teoría que describe las interacciones fuertes se llama cromodinámica cuántica (QCD). Un quark, que tendrá un único valor de color, puede formar un sistema ligado con un antiquark que porta el anticolor correspondiente. El resultado de la atracción entre dos quarks 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 antibarión . [ 77 ]

En la física de partículas moderna, las simetrías de gauge —un tipo de grupo de simetría— relacionan las interacciones entre partículas (véase teorías de gauge ). El color SU(3) (comúnmente abreviado como SU(3) c ) es la simetría de gauge que relaciona la carga de color en los quarks y es la simetría definitoria para 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 inalteradas 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 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 sus transformaciones puedan variar 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 sus portadores de fuerza. [ 78 ] [ 81 ]

Masa

Comparación de las masas actuales de los quarks para los seis sabores, representadas como esferas de volumen proporcional. El protón (gris) y el electrón  (rojo) se muestran en la esquina inferior izquierda para referencia de escala.

Se utilizan dos términos para referirse a la masa de un quark: la masa del quark actual se refiere a la masa de un quark por sí mismo, mientras que la masa del quark constituyente se refiere a la masa del quark actual más la masa del campo de partículas de gluones que lo rodea. [ 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 esta la que contribuye en gran medida a la masa total del hadrón (véase masa en la relatividad especial ). Por ejemplo, un protón tiene una masa de aproximadamente938 MeV/ c² , de los cuales la masa en reposo de sus tres quarks de  valencia solo contribuye aproximadamente9  MeV/ c² ; 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/ c² , 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, sin estructura. A partir de 2014, la evidencia experimental indica que no tienen una estructura mayor que 10⁻⁴ veces el tamaño de un protón, es decir, menor que10 −19  m . [ 87 ]

Tabla de propiedades

The following table summarizes the key properties of the six quarks. Flavor quantum numbers (isospin (I3), charm (C), strangeness (S, not to be confused with spin), topness (T), and bottomness (B′)) are assigned to certain quark flavors, and denote qualities of quark-based systems and hadrons. The baryon number (B) is +⁠1/3⁠ for all quarks, as baryons are made of three quarks. For antiquarks, the electric charge (Q) and all flavor quantum numbers (B, I3, C, S, T, and B′) are of opposite sign. Mass and total angular momentum (J; equal to spin for point particles) do not change sign for the antiquarks.

J: total angular momentum, B: baryon number, Q: electric charge, I3: isospin, C: charm, S: strangeness, T: topness, B′: bottomness. * Notation such as 173210±510 ± 710, in the case of the top quark, denotes two types of measurement uncertainty: The first uncertainty is statistical in nature, and the second is systematic.

Interacting quarks

As described by quantum chromodynamics, the strong interaction between quarks is mediated by gluons, massless vectorgauge bosons. Each gluon carries one color charge and one anticolor charge. In the standard framework of particle interactions (part of a more general formulation known as perturbation theory), gluons are constantly exchanged between quarks through a virtual emission and absorption process. When a gluon is transferred between quarks, a color change occurs in both; for example, if a red quark emits a red–antigreen gluon, it becomes green, and if a green quark absorbs a red–antigreen gluon, it becomes red. Therefore, while each quark's color constantly changes, their strong interaction is preserved.[88][89][90]

Since gluons carry color charge, they themselves are able to emit and absorb other gluons. This causes asymptotic freedom: as quarks come closer to each other, the chromodynamic binding force between them weakens.[91] Conversely, as the distance between quarks increases, the binding force strengthens. The color field becomes stressed, much as an elastic band is stressed when stretched, and more gluons of appropriate color are spontaneously created to strengthen the field. Above a certain energy threshold, pairs of quarks and antiquarks are created. These pairs bind with the quarks being separated, causing new hadrons to form. This phenomenon is known as color confinement: quarks never appear in isolation.[92][93] This process of hadronization occurs before quarks formed in a high energy collision are able to interact in any other way. The only exception is the top quark, which may decay before it hadronizes.[94]

Sea quarks

Hadrons contain, along with the valence quarks (qv) that contribute to their quantum numbers, virtual quark–antiquark (qq) pairs known as sea quarks (qs). Sea quarks form when a gluon of the hadron's color field splits; this process also works in reverse in that the annihilation of two sea quarks produces a gluon. The result is a constant flux of gluon splits and creations colloquially known as "the sea".[95] Sea quarks are much less stable than their valence counterparts, and they typically annihilate each other within the interior of the hadron. Despite this, sea quarks can hadronize into baryonic or mesonic particles under certain circumstances.[96]

Other phases of quark matter

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 a temperaturas relativamente bajas y densidades intermedias; la superconductividad de color existe a temperaturas suficientemente bajas y densidades altas.
A qualitative rendering of the phase diagram of quark matter. The precise details of the diagram are the subject of ongoing research.[97][98]

Under sufficiently extreme conditions, quarks may become "deconfined" out of bound states and propagate as thermalized "free" excitations in the larger medium. In the course of asymptotic freedom, the strong interaction becomes weaker at increasing temperatures. Eventually, color confinement would be effectively lost in an extremely hot plasma of freely moving quarks and gluons. This theoretical phase of matter is called quark–gluon plasma.[99]

The exact conditions needed to give rise to this state are unknown and have been the subject of a great deal of speculation and experimentation. An estimate puts the needed temperature at (1.90±0.02)×1012kelvin.[100] While a state of entirely free quarks and gluons has never been achieved (despite numerous attempts by CERN in the 1980s and 1990s),[101] recent experiments at the Relativistic Heavy Ion Collider have yielded evidence for liquid-like quark matter exhibiting "nearly perfect" fluid motion.[102]

The quark–gluon plasma would be characterized by a great increase in the number of heavier quark pairs in relation to the number of up and down quark pairs. It is believed that in the period prior to 10−6 seconds after the Big Bang (the quark epoch), the universe was filled with quark–gluon plasma, as the temperature was too high for hadrons to be stable.[103]

Dadas densidades bariónicas suficientemente altas y temperaturas relativamente bajas —posiblemente comparables a las que se encuentran en las 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 la materia de quarks sería superconductora de color ; es decir, la carga de color podría atravesarla sin resistencia. [ 104 ]

Véase también

Notas explicativas

  1. ↑ También existe la posibilidad teórica de fases más exóticas de la materia de quarks .
  2. ↑ La evidencia principal se basa en el ancho de resonancia del Z 0bosón , que restringe al neutrino de cuarta generación a tener una masa mayor que ~45  GeV/ c² . Esto contrastaría enormemente con los neutrinos de las otras tres generaciones, cuyas masas no pueden superar2  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 contraponen en los últimos versos del poema de Keats de 1819 " Oda a una urna griega " y puede que ese haya sido el origen de esos nombres. [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]
  5. ↑ La probabilidad real de desintegración de un quark en otro es una función compleja que depende (entre otras variables) de la masa del quark que se desintegra, las masas de los productos de la desintegración y el elemento correspondiente de la matriz CKM. Esta probabilidad es directamente proporcional (pero no igual) al cuadrado de la magnitud (| Vij | ² ) de la entrada correspondiente de la matriz CKM. 
  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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  100. ↑ Z. Fodor; SD Katz (2004). "Punto crítico de QCD en T y μ finitos, resultados de retículo para masas de quarks físicos" . Journal of High Energy Physics . 2004 (4): 50. arXiv : hep-lat/0402006 . Bibcode : 2004JHEP...04..050F . doi : 10.1088/1126-6708/2004/04/050 .
  101. ↑ U. Heinz; M. Jacob (2000). "Evidencia de un nuevo estado de la materia: una evaluación de los resultados del programa de haces de plomo del CERN". arXiv : nucl-th/0002042 .
  102. ↑ "Científicos de RHIC preparan un líquido "perfecto" . Laboratorio Nacional de Brookhaven . 2005. Archivado del original el 15 de abril de 2013. Consultado el 22 de mayo de 2009 .
  103. ↑ T. Yulsman (2002). Orígenes: La búsqueda de nuestras raíces cósmicas . CRC Press . pág. 75. ISBN  978-0-7503-0765-9.
  104. ↑ A. Sedrakian; JW Clark; MG Alford (2007). Emparejamiento en sistemas fermiónicos . World Scientific . págs. 2-3 . ISBN  978-981-256-907-3.

Lecturas adicionales

  • Discurso de Murray Gell-Mann al recibir el Premio Nobel de Física en 1969.
  • Discurso de Burton Richter al recibir el Premio Nobel de Física en 1976.
  • Discurso de Samuel CC Ting al recibir el Premio Nobel de Física en 1976.
  • Discurso de Makoto Kobayashi al recibir el Premio Nobel de Física en 2008.
  • Discurso de Toshihide Maskawa al recibir el Premio Nobel de Física en 2008.
  • El quark cima y la partícula de Higgs, por TA Heppenheimer  : una descripción del experimento del CERN para contar las familias de quarks.
  • Sitio web Think Big, Quarks y Gluones
  • Sitio web Think Big, Quarks 2019