Quarks

Los quarks y los leptones son los ladrillos con los que se construye la materia, es decir, que son vistos como las "partículas elementales". En el modelo estándar de la actualidad, hay seis "sabores" de quarks. Ellos pueden explicar con éxito, todos los mesones y bariones (mas de 200). Los bariones más familiares son el protón y el neutrón, cada uno de los cuales se construyen a partir de quarks up y down*. Se observa que las quarks se unen solamente, en combinaciones de dos (mesones), o tres (bariones). Se ha afirmado recientemente, la observación de partículas con cinco quarks (pentaquark), pero no ha sido confirmada por ninguna experimentación adicional.

** Las masas no deben tomarse demasiado en serio, porque el confinamiento de los quarks implica que no se pueden aislarlos para medir sus masas de una manera directa. Las masas deben ser indirectamente implícitas, a partir de experimentos de dispersión. Los números de la tabla son muy diferentes de los números anteriormente citados, y se basan en un resúmen del número de julio de 2010, de la Revista de Física de Partículas, Journal of Physics G, Particle Data Group. Se puede encontrar un resumen en el sitio LBL. Estas masas representan una fuerte diferencia de los enfoques anteriores, que trataban a las masas de los quarks U y D, como aproximadamente 1/3 de la masa de un protón, ya que en el modelo, el protón tiene tres quarks. Las masas indicadas son dependientes del modelo, y la masa del quark bottom es citada por dos modelos diferentes. Pero en otras combinaciones, contribuyen con masas diferentes. Para producir el pión, una partícula de sólo 139,6 MeV de energía de masa, contribuyen un quark up y un quark anti-down, mientras que en el mesón vectorial rho, ¡la misma combinación de quarks, tiene una masa de 770 MeV!. Las masas de C y S son de Serway, y las masas de T y B son de las descripciones de los experimentos en los cuales fueron descubiertos.

Cada uno de los seis "sabores" de quarks, puede tener tres "colores" diferentes. Las fuerzas de los quarks son atractivas sólo en combinaciones "incoloras" de tres quarks (bariones), en combinaciones de pares quark-antiquark (mesones), y posiblemente en combinaciones más grandes, como el pentaquark, que también podría cumplir la condición de incoloro. Los quarks sufren transformaciones por el intercambio de los bosones W, y esas transformaciones determinan el ritmo y la naturaleza del decaimiento de los hadrones por la interacción débil.

¿Por Qué "Quark"?

El nombre "quark" fue tomada por Murray Gell-Mann, del libro "Finnegan's Wake" de James Joyce. La línea de "Three quarks for Muster Mark ..." aparece en ese libro de fantasía. Gell-Mann recibió el Premio Nobel en 1969, por su trabajo en la clasificación de las partículas elementales.

Los Quarks Up y Down

Los quarks up y down, son los quarks más comunes y menos masivos, siendo los constituyentes de los protones y los neutrones, y por lo tanto de la mayoría de la materia ordinaria.

El hecho de que el neutrón libre decaiga y el decaimiento de los núcleos por el decaimiento beta en procesos como se piensa que son el resultado de un proceso de quark más fundamental

El Quark Strange

En 1947, durante un estudio de las interacciones de rayos cósmicos, se encontró que el producto de la colisión de un protón con un núcleo, vivió mucho más tiempo de lo esperado: ¡10^-10 segundos, en vez del esperado de 10^-23 segundos!. Esta partícula fue llamada partícula lambda (Λ⁰) y la propiedad que la hizo vivir tanto tiempo fue llamada "strangeness" (extrañeza en español), y ese nombre se quedó como uno de los quarks, a partir del cual se construye la partícula lambda. La partícula lambda es un barión compuesto de tres quarks: uno up, uno down y uno strange.

Se esperaba una vida útil más corta de 10^-23 segundos, debido a que la partícula lambda como barión, participa en la interacción fuerte, que por lo general conduce a tales vidas cortas. El largo tiempo de vida observado, ayudó a desarrollar una nueva ley de conservación para tales decaimientos, llamada "conservación de la extrañeza". La presencia de un quark strange en una partícula es denotado por el número cuántico S=-1. El decaimiento de partículas por las interacciones fuertes o electromagnéticas, conserva el número cuántico de extrañeza. El proceso de decaimiento de la partícula lambda debe violar esta regla, ya que no hay partícula más ligera que contenga un quark strange, -por lo que en el proceso el quark strange debe ser transformado a otro tipo de quark-. Eso sólo puede ocurrir por la interacción débil, y eso conduce a una vida mucho más larga. Los procesos de decaimientos muestran que la extrañeza no se conserva:

La transformación de quark necesaria para lograr estos procesos de decaimiento, se pueden visualizar con la ayuda de los diagramas de Feynmann.

En la descripción de las partículas, el omega-menos, un barión compuesto de tres quarks strange, es un ejemplo clásico de la necesidad de la propiedad llamada "color". Como los quarks son fermiones con espín 1/2, deben obedecer el principio de exclusión de Pauli y no pueden existir en estados idénticos. De modo que con tres quarks strange, la propiedad que los distingue, debe ser capaz de tener al menos tres valores distintos.

De hecho la conservation de la extrañeza, no es una ley de conservación independiente, sino que puede verse como una combinación de la conservación de la carga, isospín, y el número bariónico. A menudo se expresa en términos de hipercarga Y, definida por:

El isospín y tanto la hipercarga o la extrañeza, son números cuánticos utilizados a menudo para dibujar diagramas de partículas de los hadrones.

El Quark Charm

En 1974, se descubrió un mesón llamado partícula J/Psi. Con una masa de 3100 MeV, más de tres veces la del protón, esta partícula fue el primer ejemplo de otro quark, llamado quark charm (encanto). La partícula J/Psi se compone de un par de quarks charm-anticharm. Richter y Ting compartieron el Premio Nobel de 1976 por su descubrimiento.

El más ligero de los mesones que contiene un quark charm es el mesón D. Proporciona ejemplos interesantes de decaimientos, ya que para que tenga lugar el decaimiento, el quark charm debe transformarse en un quark strange por medio de la interacción débil.

Uno de los bariones con un quark charm es la llamada partícula lambda, con símbolo Λ⁺_c . Tiene una composición de quarks udc, y una masa de 2281 MeV/c².

El Quark Top

En abril de 1995, se informó de una evidencia convincente de la observación del quark top, en las instalaciones Tevatron del Fermilab. La evidencia se encontró en los productos de la colisión de protones de 0,9 TeV con antiprotones igualmente energéticos, en el colisionador protón-antiprotón. La prueba incluyó análisis de trillones de colisiones de protón-antiprotón de 1,8 TeV. El grupo de la Instalación de Detector Colisionador, había encontrado 56 candidatos "top", por encima de una previsión de 23, y el grupo D0, encontró 17 eventos por encima de la previsión de 3,8. El valor de la masa del quark top partir de los datos combinados de los dos grupos, una vez ejecutada la prueba fué de 174,3 +/- 5,1 GeV. Esto es más de 180 veces la masa de un protón y aproximadamente el doble de la siguiente masa más pesada de partícula fundamental, el bosón vectorial Z0 de aproximadamente 93 GeV.

La interacción se visualiza de la siguiente manera:

El Confinamiento de los Quarks

¿Cómo se puede confiar en el modelo de quarks, cuando nadie ha visto nunca un quark aislado?. Hay buenas razones para la falta de observación directa. Al parecer, la fuerza de color no disminuye con la distancia al igual que las otras fuerzas observadas. Se postula que en realidad puede aumentar con la distancia, a un ritmo de aproximadamente 1 GeV por Fermi. Un quark libre no se observa porque en el momento que la separación está a una escala observable, la energía está muy por encima de la energía de producción del par quark-antiquark. Para los quarks u y d, las masas son decenas de MeV, por lo que la producción del par se produciría a distancias mucho menor de un fermi. En los experimentos de colisiones de muy alta energía, se esperaría una gran cantidad de mesones (pares de quark-antiquark), y eso es lo que se observa.

Básicamente, no se puede ver un quark aislado porque la fuerza de color no los deja ir, y la energía necesaria para separarlo produce pares quark-antiquark mucho antes de estar lo suficientemente separados para observarlos aisladamente.

Un tipo de visualización de confinamiento de quarks es el llamado "modelo de bolsa". Se visualizan los quarks como contenidos en una bolsa elástica que permite a los quarks moverse libremente por toda ella, siempre y cuando no se trate de tirar para separarlos. Si se intenta tirar de un punto del quark, la bolsa se estira y resiste.

Otra forma de ver el confinamiento de quarks es expresada por Rohlf. "Cuando se trata de tirar para separar un quark de un protón, por ejemplo al golpear el quark con otra partícula energética, el quark experimenta una barrera de energía potencial de la interacción fuerte, que aumenta con la distancia." Como demuestra el ejemplo de la desintegración alfa, el tener una barrera más alta que la energía de la partícula, no impide que escape de la partícula -el efecto túnel de la mecánica cuántica da una probabilidad finita, para que una partícula alfa de 6 MeV, pase a través de una barrera de mayor energía de 30 MeV-. La barrera de energía para la partícula alfa, es lo suficientemente delgada para que sea efectivo el efecto túnel. En el caso de la barrera frente al quark, la barrera de energía no disminuye con la distancia, sino que en realidad aumenta.

El Quark Bottom

En 1977, un grupo experimental del Fermilab dirigido por Leon Lederman, descubrió una nueva resonancia a 9,4 GeV/c², que fue interpretado como un par quark bottom-antibottom (inferior-antinferior), y lo llamó mesón upsilon. A partir de este experimento, la masa implicada para el quark bottom es aproximadamente de 5 GeV/c². La reacción en estudio era

donde N es un núcleo de cobre o platino. El espectrómetro tenía una resolución de masa del par-muón de un 2%, lo que les permitió medir un exceso de eventos a 9,4 GeV/c². Esta resonancia se ha estudiado posteriormente en otros aceleradores, con una investigación detallada de los estados ligados del mesón bottom-antibottom.