Cuark

Este artículo trata sobre un tipo de partículas fundamentales que constituyen la materia. Para consultar información sobre el alimento llamado "quark" véase el artículo queso quark.

Un neutrón visto por dentro: dos quark abajo y un quark arriba

En la física de las partículas los quarks son los constituyentes fundamentales de la materia junto con los leptones. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones.

Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Los quarks son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones. Forman la materia visible junto a los leptones.

Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos han denominado de la siguiente manera: "up" (arriba), "down" (abajo), "charm" (encanto), "strange" (extraño), "top" (cima) y "bottom" (fondo)., estos fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fácil de recordar y usar, además de los correspondientes antiquarks. Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero se pueden recrear y estudiar por los físicos de partículas. Las variedades arriba y abajo si que se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica.

En la naturaleza no se encuentran quarks aislados; siempre se encuentran en grupos, llamados hadrones, de dos o de tres quarks, que se conocen como mesones y bariones respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento del color. En el año 2003 se ha encontrado evidencia experimental de una nueva asociación de cinco quarks, los pentaquark ​ aunque su existencia aún es controvertida​.

Historia

Uso en el modelo estándar

Véase también: Modelo de quarks

Murray Gell-Mann, nacido en Nueva York en el año 1929, recibió el premio Nobel de Física en 1969 por su aporte en la teoría de las partículas atómicas.

La noción de quark teórica nace del intento de clasificar a los hadrones, ahora explicados gracias al modelo de quarks. Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima realizaron esa clasificación de manera independiente en 1964.​.

Los quarks son la conclusión de los intentos para encontrar los fundamentos de la construcción de la materia. Con el triunfo de la teoría atómica en el siglo XIX se concluía que los átomos eran los componentes últimos de la materia y de ahí su nombre por ser indivisibles. Con el modelo atómico de Rutherford se demostró que el átomo no era indivisible, constaba de un núcleo y de una nube electrónica. El núcleo atómico se demostró posteriormente que estaba conformado de protones y neutrones. Con solo cinco partículas elementales, fuera de los protones, neutrones y electrones, en la década de 1930 comenzaron a aparecer los muones de alta radiación y algunos neutrinos de forma indirecta. La confirmación de más mesones y bariones, primero en experimentos con alta radiación y luego en aceleradores de partículas, dieron la impresión de que nos enfrentábamos a un zoológico de partículas y fueron el impulso para buscar cada vez más partículas elementales.

El esquema usado por Gell-Mann para unir a las partículas era mediante su isospín y su extrañeza. Utilizó una unidad simétrica derivada del álgebra actual, que se la conoce como una aproximación de la simetría quiral de la cromodinámica cuántica (QCD). Esta es una simetría global de sabor SU(3) que no debe confundirse con la simetría gaugeana de la cromodinámica cuántica. En este esquema, los mesones ligeros (de espín 0) y los bariones (espín -1/2) estaban agrupados juntos en octetos de simetría de sabor. Una clasificación de los bariones de espín -3/2 en una representación 10 arrojó la predicción de una nueva partícula, la Ω^-. Su descubrimiento en 1964 llevó a la aceptación de este modelo. La representación 3 que faltaba fue identificada como los quarks.^{[cita requerida]}

El esquema fue llamado por Gell-Mann como de ocho maneras (eightfold way en inglés), una inteligente asociación de los octetos del modelo con los ocho caminos o maneras del budismo.

Descubrimiento experimental

A mediados de la década de los 60 había un cierto consenso en que el protón poseía un tamaño aproximado de 10^–15 m con una distribución suave de carga en su interior. Los análisis de ciertas propiedades de reacciones de altas energías de hadrones llevó a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones, a los que él llamo partones (porque eran parte de los hadrones)​.

La serie de experimentos en el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) entre 1967 y 1973 tenían como objetivo estudiar la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón​. Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Rutherford años atrás para confirmar la existencia del núcleo atómico. El SLAC es un acelerador de partículas lineal donde partículas como los electrones pueden alcanzar energías de hasta 50 GeV, lo suficiente para que estos puedan traspasar nucleones.

El análisis teórico de las colisiones inelásticas que tuvieran lugar entre el electrón y el protón lo había trabajado James Bjorken. Este consideró varias hipótesis para explicar la función de forma de la dispersión. De todas ellas, la más especulativa era considerar al protón compuesto por partículas puntuales cargadas y con espín $1/2$. Al analizar los datos para diferentes cantidades de momento transferidos al protón, se comprobó que el ajuste de Bjorken con tal hipótesis era el adecuado ​. Se habían descubierto los quarks de manera experimental lo que permitió obtener el premio Nobel de Física de 1990 a Taylor, Kendall y Friedmann, líderes de los experimentos en el SLAC.

Más adelante, otros experimentos de colisiones inelásticas con neutrinos hechas en el CERN sirvieron para confirmar los resultados del SLAC. Se confirmó que los partones de Feynmann y los quarks eran exactamente la misma cosa. Con la prueba de la libertad asintótica en la cromodinámica cuántica que realizaron en 1973 David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, la conexión se hizo estable. A estos científicos se les concedió el premio Nobel de Física en el 2004 por este trabajo.

Kendall dijo sobre el hallazgo

..el descubrimiento específico fue un descubrimiento. No sabíamos si estaría ahí, y tampoco nadie en este mundo - ni la gente que inventó el quark ni toda la comunidad teórica. Nadie podía decir especifica y unívocamente: hey amigos vayan por el quark. Esperamos que esté en los nucleones​.

Diferentes sabores

Al principio se creía que sólo existían el quark arriba, abajo y extraño. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani postularon la existencia del quark encantado para impedir cambios no físicos de sabor en las desintegraciones débiles que podrían aparecer en el modelo estándar. El descubrimiento del mesón J/ψ en 1974 llevó al reconocimiento de que este estaba hecho de un quark encantado y su antiquark ​.

Luego, se planteó la hipótesis del quinto y sexto quark, llamados quark cima y fondo. La existencia de una tercera generación de quarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1973, ellos se dieron cuenta de que la violación de la simetría CP por kaones neutros no podría acomodarse en el modelo estándar con las dos generaciones hasta ese momento existentes de quarks. El quark fondo fue descubierto en 1977 y el quark cima en 1996​.

Significado de Quark

La palabra fue originalmente acuñada por Murray Gell-Mann como una palabra sin sentido que rimaba con pork​, pero sin ortografía​. Después, él encontró la palabra quark en un libro de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahí se uso su ortografía:

Three quarks for Muster Mark!  

Sure he has not got much of a bark

And sure any he has it's all beside the mark.

Del libro Finnegans Wake de James Joyce

Gellman dijo sobre esto que​

En 1963, cuando yo asigne el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones, yo tenía el primer sonido, sin ortografía, que podría haber sido kwork. Luego, en uno de sus ocasionales lecturas de Finnegans Wake, por James Joyce, me crucé con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark. Entonces quark (que significa, por un lado, el grito de la gaviota) fue el claro intento de rimar con Mark, como con bark y otras palabras parecidas. Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla así como kwork. Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto suelen proceder de varias fuentes a la vez, como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass. De vez en cuando, las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar. Yo argumenté, por lo tanto, que uno de los multiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podría ser Three quarts for Mister Mark, en ese caso la pronunciación de "kwork" podría justificarse totalmente. En cualquier caso, el número tres encaja perfectamente en el camino como el quark apareció en la naturaleza.

La frase tres quarks (three quarks en inglés) encajaba particularmente bien (como se menciona en la cita) ya que en ese tiempo solo había tres quarks conocidos y entonces los quarks estaban en grupos de tres en los bariones.

En el libro de Joyce, se da a las aves marinas tres quarks, quark toma un significado como el grito de las gaviotas (probablemente onomatopeya como quack para los patos). La palabra es también un juego de palabras en entre Munster y su capital provincial Cork.

Generación

Se muestra la estructura de un quark en un protón; dos quark arriba y un quark abajo

Los físicos han ido separando a las partículas que, primero teóricas, han ido hallando experimentalmente en los aceleradores de partículas. Las dividieron en generaciones de dos leptones y dos quarks. Entre ellos varia la masa que va aumentando de acuerdo al número de la generación, siendo la tercera la mas pesada hasta el momento. El modelo estándar predice las tres generaciones de quarks y leptones que conocemos pero no podría descartarse del todo la posibilidad de una cuarta generación.

En el caso de los quarks tenemos como primera generación a los quarks arriba y abajo; los de segunda son los quarks encantado y extraño; y los de tercera generación son los quarks fondo y cima.

Propiedades

Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza sino que se agrupan formando hadrones. Estos se dividen en dos tipos:

• Mesones: formados por un quark y un antiquark (piones, kaones, ...)
• Bariones: formados por tres quarks (protones, neutrones, ...)

Como se mencionó antes existen 6 tipos de quarks, cada uno con su sabor, su carga, su isospín débil y su masa (entre las propiedades mas importantes). Una lista de estas propiedades para cada quark sería:​ ​

Nombre	Símbolo	Generación	Isospín débil	Sabor	Carga	Masa
arriba (up)	u	1	+½	Iz= +½	+⅔	1.5 – 4.0
abajo (down)	d	1	-½	Iz=-½	-⅓	4 – 8
extraño (strange)	s	2	-½	S=-1	-⅓	80 – 130
encantado (charm)	c	2	+½	C=1	+⅔	1150 – 1350
quark fondo (bottom)	b	3	-½	B'=-1	-⅓	4100 – 4400
quark cima (top)	t	3	+½	T=1	+⅔	170900 ± 1800

Junto a los leptones, los quarks forman prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. En concreto la constituyen los dos primeros quarks ya que forman los protones y neutrones que a su vez forman los núcleos atómicos.

Carga

Véase también: Carga elemental

La carga eléctrica de los quarks es -⅓ o +⅔ de la carga elemental. Por esto siempre las partículas compuestas (bariones y mesones) tienen una carga entera. Experimentalmente (por ejemplo en el experimento de la gota de aceite de Millikan) no hay información de cargas fraccionarias de partículas aisladas. La tercera parte de la carga en los hadrones es debido a la presencia de los quarks. Actualmente se desconoce el porque la suma de las cargas de los quarks en un protón se corresponde exactamente a la del electrón, un leptón, con signo opuesto.

Masa

Aunque si bien se habla de la masa de los quarks en el mismo sentido que la masa de cualquier otra partícula, la noción de masa para un quark es complicada por el hecho que los quarks no pueden encontrarse solos en la naturaleza. Como resultado, la noción de la masa de un quark es una construcción teórica que tiene sentido solo cuando se especifica exactamente que se usará para definirla.

La simetría quiral aproximada de la cromodinámica cuántica, por ejemplo, permite definir el radio entre varias masas de quarks a través de combinaciones de las masas de los octetos pseudoescalares de los mesones en el modelo de quarks por la teoría de perturbación quiral, tenemos:

${\frac {m_{u}}{m_{d}}}=0.56\qquad {\rm {y}}\qquad {\frac {m_{s}}{m_{d}}}=20.1.$

El hecho de que el quark arriba tenga masa es importante porque había un problema con la violación CP si éstos no tenían masa. Los valores absolutos de las masas son determinados por las reglas de suma de funciones espectrales (o también las reglas de suma de la cromodinámica cuántica).

Otro método para especificar las masas de los quarks fue usada por Gell-Mann y Nishijima en el modelo de quarks que conectaba la masa del hadrón con la masa de los quarks. Estas masas, llamadas masas constituyentes de quarks, son considerablemente diferentes de las masas definidas anteriormente. Las masas constituyentes no tienen ningún significado dinámico posterior.

Por otro lado, las masas de los quarks mas masivos, el encantado y el fondo, se obtuvieron de las masas de los hadrones que contenian un quark pesado (y un antiquark ligero o dos quarks ligeros) y del análisis de quarkonios. Los cálculos del enrejado de la cromodinámica cuántica usando una teoría efectiva de quarks pesados o cronodinámica cuántica no relativista son usadas actualmente para determinar la masa de esos quarks.

El quark cima es lo suficientemente pesado que la perturbación de la QCD puede ser usada para determinar su masa. Antes de su descubrimiento en 1995, la mejor teoría estimaba que la masa del quark cima podía obtenerse del análisis global de test de precisión del modelo estándar. El quark cima, sin embargo, tiene la única cantidad de quarks que se desintegran antes de hadronizarse. Entonces, la masa puede ser directamente medida de los productos desintegrados resultantes. Estos solo pueden ser hechos en el Tevatron que es el único acelerador de partículas con la suficiente energía para producir quarks cima en abundancia.

Isospín débil

El valor de esta propiedad para los quarks es de 1/2, y su signo depende de que tipo de quark es. Para los quarks tipo u (u, c y t) es de +1/2, mientras que para los otros, llamados quarks tipo d (d, s, b), es de -1/2. De acuerdo con el isospín débil, un quark tipo u deberá desintegrarse para obtener un quark tipo d y viceversa. No se admiten desintegraciones entre quarks del mismo tipo. Las partículas que permiten estos cambios de carga del isospín débil son los bosones W y Z.

Sabor

Debido a la interacción débil todos los fermiones, y en este caso los quarks, pueden cambiar de tipo; a este cambio se le denomina sabor​. Los bosones W y Z son los que permiten el cambio de sabor en los quarks, éstos bosones son los causantes de la interacción débil. Cada quark tiene un sabor diferente que interectuará con los bosones de una manera única.

El sabor de los quarks arriba y abajo es el isospín débil, antes mencionado. El quark extraño, tendrá un número cuántico o sabor, homónimo, llamado extrañeza y tiene el valor de -1. Para el quark encantado es encantado y tiene el valor de 1; y así sucesivamente con los otros dos como se puede ver en la tabla anterior.

Carga de color

Los quarks al ser fermiones deben seguir el principio de exclusión de Pauli. Este principio implica que los tres quarks en un barión deben estar en una combinación antisimétrica. Sin embargo la carga Q = 2 del barión Δ⁺⁺ (que es un cuarto del isospín I_z  =  3/2 de los bariones) puede ser realizado solo por quarks con espín paralelo. Esta configuración es simétrica bajo intercambio de quarks, esto implica que existe otro número cuántico interno para que pueda hacerse esa combinación antisimétrica. A esta propiedad, o número cuántico, se le denomino color. El color no tiene nada que ver con la percepción de la frecuencia de la luz, por el contrario, el color es la carga envuelta en la teoría de gauge, mas conocida como cromodinámica cuántica.

El color es una simetría gaugeada SU(3). Los quarks están localizados en la representación fundamental 3 y por lo tanto tienen tres colores, análogo con los tres colores fundamentales rojo, verde y azul, de ahí viene su nombre. Es por eso que se suele decir que existen 18 tipos de quarks, 6 con sabor y cada uno con 3 colores.

Antiquark

El antiquark es la antipartícula que corresponde a un quark. El número de tipos de quarks y antiquarks en la materia es el mismo. Se representan con los mismos símbolos que aquellos, pero con una barra encima de la letra correspondiente.

Ejemplo: si un quark se representa $\mathrm {u} \,$, un antiquark es ${\bar {\mathrm {u} }}$.

Subestructura

Nuevas extensiones del modelo estándar de física de partículas indican que los quarks podrían estar compuestos de subestructuras. Esto asume que las partículas elementales del modelo estándar de física de partículas son partículas compuestas; estas hipótesis están siendo evaluadas, aunque actualmente no se ha descubierto tal estructura. Las llamadas subestructuras de los quarks se denominan preones.

Véase también

• Antiquark
• Física de Partículas
• Fuerzas fundamentales
• Murray Gell-Mann

Enlaces externos

• Portal en ingles sobre datos de partículas (Particle Data Group)
• La Aventura de las Partículas, enlace muy ilustrativo sobre la física de partículas
• ¿Qué es un Quark? Por Isaac Asimov
• Pagina muy ilustrativa de la universidad de Oxford sobre el protón (en inglés)

Plantilla:Partículas elementales