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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 ]

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 encanto, y la tercera quarks fondo y cima. Todas las búsquedas de una cuarta generación de quarks y otros fermiones elementales han fracasado, [ 18 ] [ 19 ] y hay fuertes evidencias indirectas de que no existen más de tres generaciones. [ nb 2 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] Las partículas en generaciones superiores generalmente tienen mayor masa y menor estabilidad, lo que hace que se desintegren en partículas de generaciones inferiores por medio de interacciones débiles . Solo los quarks de primera generación (arriba y abajo) ocurren comúnmente en la naturaleza. Los quarks más pesados ​​solo pueden crearse en colisiones de alta energía (como en aquellas 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 realizan en condiciones creadas artificialmente, como en aceleradores de partículas . [ 23 ]

Al poseer 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 los extremos de las escalas de energía ( energía de Planck ) y distancia ( distancia de Planck ). Sin embargo, dado que no existe una teoría cuántica de la gravedad exitosa , la gravitación no se describe mediante el Modelo Estándar.

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

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 la Vía 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 a la Vía 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 concepción 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 sabores 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 una controversia particular sobre si el quark era una entidad física o una mera abstracción utilizada para explicar conceptos que no se comprendían completamente en ese momento. [ 30 ]

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

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 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.
Las intensidades 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 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 , denominada matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (matriz CKM). Al imponer la unitariedad , las magnitudes aproximadas de las entradas de la matriz CKM son: [ 73 ]

[|Vtúd||Vtús||Vtúb||Vdod||Vdos||Vdob||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}},}

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), denominada matriz de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (matriz PMNS). [ 74 ] En conjunto, las matrices CKM y PMNS describen todas las transformaciones de sabor, pero los vínculos entre ambas aún no están claros. [ 75 ]

Fuerte interacción y carga de color

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.
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 . Existen tres tipos de carga de color, denominados arbitrariamente azul , verde y rojo . [ nb 6 ] Cada una de ellas 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 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

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 el espín), topidad ( T ) y bottomidad ( B ′)) se asignan a ciertos sabores de quarks e indican cualidades de 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 , I₃ , C , S , T y B ′ ) tienen 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 , I3 : 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 que interactúan

Como describe la cromodinámica cuántica , la interacción fuerte entre quarks está mediada por gluones, bosones de gauge vectoriales sin masa . Cada gluón lleva una carga de color y una carga de anticolor. En el marco estándar de las interacciones de partículas (parte de una formulación más general conocida como teoría de perturbaciones ), los gluones se intercambian constantemente entre quarks mediante 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 ]

Dado que los gluones portan carga de color, son capaces de emitir y absorber otros gluones. Esto provoca libertad asintótica : a medida que los quarks se acercan entre sí, la fuerza de enlace cromodinámica entre ellos se debilita. [ 91 ] Por el contrario, a medida que aumenta la distancia entre los quarks, la fuerza de enlace se fortalece. El campo de color se tensa, de forma similar a como se tensa una banda elástica al estirarse, 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 a los quarks que se separan, lo que provoca la formación de 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 forma. La única excepción es el quark cima, que puede desintegrarse antes de hadronizarse. [ 94 ]

quarks marinos

Los hadrones contienen, junto con los quarks de valencia ( qv ) que contribuyen a susnúmeros cuánticos,virtualesquark-antiquark (qq) conocidos comoquarks marinos(qs ). Los quarks de mar se forman cuando un gluón del campo de color del hadrón se divide; este proceso también funciona a la inversa, ya que laaniquilaciónde dos quarks de mar produce un gluón. El resultado es un flujo constante de divisiones y creaciones de gluones conocido coloquialmente como "el mar". [ 95 ] Los quarks de 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 de mar pueden hadronizarse en partículas bariónicas o mesónicas bajo 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 a 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 amplio. En el curso de la libertad asintótica , la interacción fuerte se debilita al aumentar la temperatura. Finalmente, el confinamiento de color se perdería efectivamente en un plasma extremadamente caliente de quarks y gluones en movimiento libre. Esta fase teórica de la materia se denomina 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 ] Si bien nunca se ha alcanzado un estado de quarks y gluones completamente libres (a pesar de los numerosos intentos del CERN en las décadas de 1980 y 1990), [ 101 ] experimentos recientes en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​han proporcionado evidencia de materia de quarks similar a un líquido que exhibe un movimiento fluido "casi perfecto" . [ 102 ]

El plasma de quarks y 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 10⁻⁶ segundos después del 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 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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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