Cuarc

Cuarc , cualquier miembro de un grupo de partículas subatómicas elementales que interactúan por medio de la fuerza fuerte y se cree que se encuentran entre las fundamentales constituyentes de importar . Los quarks se asocian entre sí a través de la fuerza fuerte para formar protones y neutrones , de la misma manera que las últimas partículas se combinan en diversas proporciones para formar núcleos atómicos. Hay seis tipos o sabores de quarks que se diferencian entre sí en sus características de masa y carga. Estos seis sabores de quark se pueden agrupar en tres pares: arriba y abajo, encanto y extraño, y arriba y abajo. Los quarks parecen ser verdaderas partículas elementales; es decir, no tienen una estructura aparente y no pueden resolverse en algo más pequeño. Además, sin embargo, los quarks siempre parecen ocurrir en combinación con otros quarks o con antiquarks, sus antipartículas, para formar todos los hadrones, las llamadas partículas que interactúan fuertemente que abarcar ambos bariones y mesones .

Quarks *

tipo de quark	número bariónico	cargo	extrañeza**	encanto**	fondo**	cima**	masa (MeV)
* Tenga en cuenta que los antiquarks existen para todos los sabores de quark y tienen valores opuestos para todos los números cuánticos enumerados aquí.
** Estos son números cuánticos que deben asignarse a los quarks para diferenciar los distintos sabores.
abajo (d)	1/3	- (1/3) e	0	0	0	0	5–15
arriba (u)	1/3	+ (2/3) y	0	0	0	0	2–8
extraño (s)	1/3	- (1/3) e	−1	0	0	0	100–300
encanto (c)	1/3	+ (2/3) y	0	1	0	0	1,000–1,600
abajo (b)	1/3	- (1/3) e	0	0	−1	0	4,100–4,500
arriba (t)	1/3	+ (2/3) y	0	0	0	1	180,000

Sabores de Quark

A lo largo de la década de 1960, los físicos teóricos, tratando de explicar el número cada vez mayor de partículas subatómicas observadas en los experimentos, consideraron la posibilidad de que los protones y neutrones estuvieran compuestos de unidades de materia más pequeñas. En 1961, dos físicos, Murray Gell-Mann de los Estados Unidos y Yuval Neʾeman de Israel, propusieron un esquema de clasificación de partículas llamado Eightfold Way, basado en el grupo de simetría matemática SU (3), que describía partículas que interactuaban fuertemente en términos de bloques de construcción. . En 1964, Gell-Mann introdujo el concepto de quarks como base física para el esquema, habiendo adoptado el término fantasioso de un pasaje de la novela de James Joyce. Finnegans Wake . (El físico estadounidense George Zweig desarrolló una teoría similar de forma independiente ese mismo año y llamó a sus partículas fundamentales ases.) El modelo de Gell-Mann proporcionó una imagen simple en la que todos los mesones se muestran como compuestos de un quark y un antiquark y todos los bariones como compuestos de tres quarks. Postuló la existencia de tres tipos de quarks, que se distinguen por sabores únicos. Estos tres tipos de quarks ahora se designan comúnmente como up ( tu ), abajo ( D ), y extraño ( s ). Cada uno lleva un valor fraccionario de la carga del electrón (es decir, una carga menor que la del electrón, es ). El quark up (cargo²/₃ es ) y abajo quark (carga -¹/₃ es ) forman protones y neutrones y, por tanto, son los que se observan en la materia ordinaria. Quarks extraños (carga -¹/₃ es ) ocurren como componentes de K mesones y varias otras partículas subatómicas de vida extremadamente corta que se observaron por primera vez en los rayos cósmicos pero que no juegan ningún papel en la materia ordinaria.

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Colores de Quark

La interpretación de los quarks como entidades físicas reales planteó inicialmente dos problemas importantes. Primero, los quarks tenían que tener valores de espín medio entero (momento angular intrínseco) para que el modelo funcionara, pero al mismo tiempo parecían violar el principio de exclusión de Pauli, que gobierna el comportamiento de todas las partículas (llamadas fermiones) que tienen una mitad impar. -giro entero. En muchas de las configuraciones de bariones construidas con quarks, a veces dos o incluso tres quarks idénticos tenían que establecerse en el mismo cuántico Estado: arreglo prohibido por el principio de exclusión. En segundo lugar, los quarks parecían desafiar ser liberados de las partículas que formaban. Aunque las fuerzas que ataban a los quarks eran fuertes, parecía improbable que fueran lo suficientemente poderosos como para resistir el bombardeo de haces de partículas de alta energía de los aceleradores.

Estos problemas se resolvieron con la introducción del concepto de color, tal como se formula en la cromodinámica cuántica (QCD). En esta teoría de las interacciones fuertes, cuyas ideas innovadoras se publicaron en 1973, el color no tiene nada que ver con los colores del mundo cotidiano, sino que representa una propiedad de los quarks que es la fuente de la fuerza fuerte. Los colores rojo, verde y azul se atribuyen a los quarks, y sus opuestos, antired, antigreen y antiblue, se atribuyen a los antiquarks. Según QCD, todas las combinaciones de quarks deben contener mezclas de estos colores imaginarios que se anulan entre sí, y la partícula resultante no tiene color neto. Un barión, por ejemplo, siempre consta de una combinación de un quark rojo, uno verde y un quark azul, por lo que nunca viola el principio de exclusión. La propiedad del color en la fuerza fuerte juega un papel análogo A la de carga eléctrica en la fuerza electromagnética, y así como la carga implica el intercambio de fotones entre partículas cargadas, el color implica el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones entre quarks. Así como los fotones transportan fuerza electromagnética, los gluones transmiten las fuerzas que unen a los quarks. Los quarks cambian de color a medida que emiten y absorben gluones, y el intercambio de gluones mantiene una distribución adecuada del color de los quarks.

Fuerzas vinculantes y quarks masivos

Las fuerzas de unión transportadas por los gluones tienden a ser débiles cuando los quarks están muy juntos. Dentro de un protón (u otro hadrón), a distancias de menos de 10⁻¹⁵metro, los quarks se comportan como si estuvieran casi libres. Esta condición se llama libertad asintótica. Sin embargo, cuando uno comienza a separar los quarks, como cuando se intenta sacarlos de un protón, el efecto de la fuerza se hace más fuerte. Esto se debe a que, como explica QCD, los gluones tienen la capacidad de crear otros gluones a medida que se mueven entre quarks. Por lo tanto, si un quark comienza a alejarse rápidamente de sus compañeros después de ser golpeado por una partícula acelerada, los gluones utilizan la energía que extraen del quark. movimiento para producir más gluones. Cuanto mayor sea el número de gluones intercambiados entre los quarks, más fuertes serán las fuerzas de unión efectivas. El suministro de energía adicional para extraer el quark solo da como resultado la conversión de esa energía en nuevos quarks y antiquarks con los que se combina el primer quark. Este fenómeno se observa en los aceleradores de partículas de alta energía en la producción de chorros de nuevas partículas que pueden asociarse con un solo quark.

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El descubrimiento en la década de 1970 del encanto ( c ) y la parte inferior ( b ) los quarks y sus antiquarks asociados, logrados mediante la creación de mesones, sugiere fuertemente que los quarks ocurren en pares. Esta especulación llevó a los esfuerzos por encontrar un sexto tipo de quark llamado top ( t ), después de su sabor propuesto. Según la teoría, el quark top tiene una carga de²/₃ es ; su socio, el quark bottom, tiene una carga de -¹/₃ es . En 1995, dos grupos independientes de científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi informaron que habían encontrado el quark top. Sus resultados dan al quark top una masa de 173,8 ± 5,2 gigaelectrones voltios (GeV; 10⁹eV). (El siguiente quark más pesado, el inferior, tiene una masa de aproximadamente 4,2 GeV.) Aún no se ha explicado por qué el quark superior es mucho más masivo que las otras partículas elementales, pero su existencia completa el Modelo Estándar, la teoría teórica predominante. esquema de los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza.