En física de partículas, los cuarks o quarks son los fermiones elementales masivos que interactúan fuertemente formando la materia nuclear y ciertos tipos de partículas llamadas hadrones. Junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia bariónica. Varias especies de cuarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones.
Los cuarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan mediante las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza: la gravedad, la interacción electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Son partículas con espín 1/2, clasificadas como fermiones de Dirac, lo que implica que para cada tipo de cuark existe una antipartícula correspondiente, denominada anticuark.
Hay seis tipos distintos de cuarks, cada uno «portador» de un número cuántico del modelo de cuarks. Los físicos de partículas los han denominado de la siguiente manera: NombreAlias (traducción)Número cuánticocuark uup (arriba)Isospin +1/2cuark ddown (abajo)Isospin −1/2cuark ccharm (encanto)encanto +1cuark sstrange (extraño)extrañeza −1cuark ttop/truth (cima/verdad)topness (superioridad) +1cuark bbottom/beauty (fondo/belleza)bottomness (inferioridad) −1 Los cuarks s, c, t y b son lo suficientemente masivos para decaer en otros cuarks mediante la interacción débil. Los cuarks u y d son los más estables.
Una hipótesis central, pero no comprobada, es que los cuarks no pueden observarse libres sino confinados en grupos, fenómeno llamado confinamiento de color.
Los hadrones de espín entero (bosón) se clasifican como los mesones y los de espín semientero (fermión) como bariones. Los mesones observados son consistentes con una composición de (una pareja cuark-anticuark) y los bariones como la composición de tres cuarks o anticuarks.
Gell-Mann en 1965 y Zweig propusieron hadrones hipotéticos compuestos por más de tres cuarks como los tetracuarks (con cuatro cuarks), pentacuarks (con cinco cuarks) y moléculas hadrónicas. Esto sería una consecuencia directa del confinamiento del color. En el año 2003 se encontró evidencia experimental de una nueva asociación de cinco cuarks, los pentaquark, evidencia, en principio controvertida, que fue demostrada gracias al Gran Colisionador de Hadrones en julio de 2015.
Modelo de cuarks
izquierda|miniaturadeimagen|Octeto de bariones según el modelo de cuarks. La noción de cuark teórica nace del intento de clasificar a los hadrones, ahora explicados gracias al modelo de cuarks. Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima realizaron esa clasificación de manera independiente en 1964.
Los cuarks son la conclusión de los intentos de encontrar los fundamentos de la construcción de la materia. Con el triunfo de la teoría atómica en el 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. Se demostró posteriormente que el núcleo atómico estaba conformado de protones y neutrones. Con solo cinco partículas elementales, aparte 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, dio la impresión de que nos enfrentábamos a un zoológico de partículas y fue 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 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 cuarks.
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 1960 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 llevaron a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones, a los que él llamó partones (porque eran parte de los hadrones).
La serie de experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) entre 1967 y 1973 tenían como objetivo estudiar la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón.Premio Nobel por la primera evidencia de un quark Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Ernest Rutherford años antes 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 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 . 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 cuarks (inicialmente, llamados partones) 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 cuarks 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:
Diferentes cuarks En 1967 se creía que solo existían el cuark arriba, abajo y extraño. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani postularon la existencia del cuark 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 cuark encantado y su anticuark.
Luego se planteó la hipótesis del quinto y sexto cuark, llamados cuark cima y fondo. La existencia de una tercera generación de cuarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1972; estos 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 cuarks. El cuark fondo fue descubierto en 1977 y el cuark cima en 1995.
Etimología La palabra fue originalmente designada por Murray Gell-Mann como una palabra sin sentido que rimaba con pork,Gribbin, John. Richard Feynman: A Life in Science. Dutton 1997, p. 194. pero sin ortografía.Proveniencia de la palabra quark Después, él encontró la palabra «quark» en un libro de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahí se usó su ortografía:
Gell-Mann dijo sobre esto que
La frase «tres cuarks» (three quarks en inglés) encajaba particularmente bien (como se menciona en la cita) ya que en ese tiempo solo había tres cuarks conocidos y entonces los cuarks 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 cuac (o cua) para los patos). La palabra es también un juego de palabras entre Munster y su capital provincial Cork.
Generación
El modelo estándar es un modelo teórico que describe todas las partículas elementales conocidas hasta ahora, así como el ya descubierto bosón de Higgs. Este modelo agrupa las partículas en generaciones de dos leptones y dos cuarks. Entre ellas varía la masa que va aumentando de acuerdo al número de la generación, siendo la tercera la más pesada hasta el momento. El modelo estándar predice las tres generaciones de cuarks y leptones que conocemos pero no podría descartarse del todo la posibilidad de una cuarta generación. Este modelo contiene seis sabores de cuarks (q) divididos en tres generaciones. En la primera tenemos los cuarks arriba (u) y abajo (d). En la segunda, los cuarks encantado (c) y extraño (s). Y en la tercera, los cuarks fondo (b) y cima (t). Las Antipartículas de los cuarks son los anticuarks, y son denotados por una barra sobre el símbolo del correspondiente, por ejemplo, si un cuark se representa , un anticuark se escribe . Así como con la antimateria en general, los anticuarks tienen la misma masa, vida media, y espín que sus respectivos cuarks, pero con carga opuesta.
Propiedades físicas
Los cuarks no se encuentran libres en la naturaleza sino que se agrupan formando hadrones. Estos se dividen en dos tipos: Mesones: bosones formados por un cuark y un anticuark (piones, kaones,...) Bariones: fermiones formados por tres, cuatro o cinco cuarks y/o anticuarks (protones, neutrones,...). Existen seis tipos de cuarks, cada uno con su sabor, su carga, su isospín débil y su masa (entre las propiedades más importantes). Una lista de estas propiedades para cada cuark sería:
NombreSímboloGeneraciónIsospín débilSaborCargaMasa (MeV/c2)Cuark levógiroCuark dextrógiro Proyección del isospinEncanto (charmness)Extrañeza (strangeness)Superioridad (topness)Inferioridad (bottomness)arriba (up) u 1 +½0 +½0000 +⅔ 1.5abajo (down) d 1 −½0 −½0000 −⅓ 4.0encanto (charm)c2 +½00 +1000 +⅔1150‑1350extraño (strange) s 2 −½000 −100 −⅓ 80‑130cima (top)t3 +½0000 +10 +⅔170900 ± 1800fondo (bottom) b 3 −½00000 −1 −⅓ 4100‑4400
Junto a los leptones, los cuarks forman prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. En concreto la constituyen los dos primeros cuarks ya que forman los protones y neutrones que a su vez forman los núcleos atómicos.
Carga
La carga −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 debida a la presencia de los cuarks. Actualmente se desconoce por qué la suma de las cargas de los cuarks en un protón se corresponde exactamente a la del electrón, un leptón, con signo opuesto.
Masa Aunque se habla de la masa de los cuarks en el mismo sentido que la masa de cualquier otra partícula, la noción de masa para un cuark es más complicada por el hecho que los cuarks no pueden encontrarse solos en la naturaleza: por lo general se encuentran acompañados de gluones. Por consiguiente, la noción de la masa de un cuark es una construcción teórica que solo está bien definida cuando se especifica la situación física del quark.