In fisica delle particelle, il quark (AFI: ; simbolo q) è una particella elementare, costituente fondamentale della materia.

A causa di un fenomeno conosciuto come confinamento, i quark non sono mai osservabili individualmente in natura a basse energie ma esistono solo come costituenti di particelle composte dette adroni, le cui forme più stabili, i protoni e i neutroni, sono i componenti dei nuclei atomici; per questo molto di quello che si conosce sui quark è dedotto da esperimenti che coinvolgono questo tipo di particelle.

I quark hanno varie proprietà intrinseche, tra cui massa, carica elettrica, carica di colore e spin. Sono le uniche particelle elementari del modello standard a prendere parte a tutte e quattro le interazioni fondamentali (elettromagnetica, gravitazionale, forte e debole), nonché le uniche particelle la cui carica elettrica non è un multiplo intero della carica elementare; i quark hanno infatti carica elettrica + o −.

Ci sono sei tipi di quark, che hanno diversi sapori: up, down, strange, charm, bottom e top. I quark up e down, i più comuni nell'universo, hanno una massa minore rispetto agli altri e sono generalmente i più stabili; per questo i quark strange, charm, bottom e top decadono rapidamente in quark up e down e possono essere prodotti esclusivamente in reazioni e collisioni ad alta energia, come quelle negli acceleratori di particelle o che coinvolgono i raggi cosmici. Per ogni tipo di quark c'è un corrispondente tipo di antiparticella, detta antiquark, che differisce dal quark solo per alcune proprietà (come la carica elettrica) che hanno lo stesso modulo ma segno opposto.

I quark furono introdotti come parte di uno schema di classificazione degli adroni, il modello a quark, che fu proposto indipendentemente dai fisici Murray Gell-Mann e George Zweig nel 1964. Inizialmente vi erano poche prove che confermassero la presenza di queste particelle, ma esperimenti di scattering anelastici profondi presso lo Stanford Linear Accelerator Center nel 1968 ne dimostrarono l'esistenza. Col tempo, vari esperimenti condotti in acceleratori di particelle hanno verificato i sei sapori di quark che oggi conosciamo; l'ultimo a essere scoperto è stato il quark top, osservato per la prima volta al Fermilab nel 1995.

Origine del termine In principio, Gell-Mann, avendo un'idea sul suono del termine che aveva intenzione di coniare, era indeciso sull'effettiva grafia, finché non trovò la parola quark nel romanzo di James Joyce Finnegans Wake:

La parola quark è una parola slava che ha origini tedesche e denota un latticino, ma è anche un termine colloquiale che significa ″spazzatura″. Gell-Mann spiegò approfonditamente la scelta del nome nel suo libro Il quark e il giaguaro (The Quark and the Jaguar, Adventures in the Simple and the Complex):

Zweig avrebbe preferito il nome ace (asso) per la particella che aveva teorizzato, ma il termine scelto da Gell-Mann ebbe maggior eco quando il modello a quark iniziò ad essere accettato.

I sapori dei quark invece hanno ricevuto nomi differenti per diverse ragioni. I quark up (su) e down (giù) hanno ricevuto il nome per le componenti "su" e "giù" dell'isospin, che portano I quark strange (strani) si chiamano così perché sono componenti delle "particelle strane", scoperte nei raggi cosmici prima che il modello a quark fosse proposto, e perché hanno una vita media insolitamente lunga. Glashow, il quale propose il quark charm ("fascino") con Bjorken, disse, "Chiamammo il nuovo costrutto charmed quark, perché eravamo affascinati e compiaciuti dalla simmetria che portava nel mondo subnucleare.". I nomi "bottom" (inferiore) e "top" (superiore), furono coniati da Harari, che sono stati scelti perché erano i partner logici per i quark su e giù". In passato ci si riferiva ai quark bottom e top con i termini "beauty" (bellezza) e truth (verità),"Beauty" e "truth" sono messe a confronto negli ultimi versi della poesia di Keats del 1819 intitolata Ode on a Grecian Urn (Ode su un'urna greca), e potrebbe essere questa l'origine di quei nomi. ma questi nomi sono andati in disuso.. Mentre il termine "truth" non ha mai preso piede, i complessi di acceleratori incentrati su una produzione abbondante di quark di tipo bottom sono talvolta chiamati "beauty factories".

Storia

La teoria dei quark venne proposta nel 1964 indipendentemente dai fisici statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig, che mostrarono di poter spiegare le proprietà degli adroni ipotizzando che questi fossero composti da quark elementari. Questa teoria fu avanzata poco dopo che nel 1961 Gell-Mann formulò un sistema di classificazione delle particelle conosciuto come la via dell'ottetto, legato alla simmetria di sapore SU(3). Originale: Nello stesso anno anche il fisico Yuval Ne'eman sviluppò indipendentemente uno schema simile alla via dell'ottetto.Originale: Un primo tentativo di organizzare i costituenti era presente nel modello di Sakata.

Al tempo della formulazione della teoria dei quark, lo "zoo delle particelle" comprendeva, tra le altre, una moltitudine di adroni. Gell-Mann e Zweig ipotizzarono che gli adroni non fossero particelle elementari, ma che fossero invece composti da quark e antiquark. Il loro modello presupponeva l'esistenza di tre sapori di quark (up, down, e strange), con diverse proprietà fondamentali come lo spin e la carica elettrica. La prima reazione della comunità scientifica fu contrastante. In particolare era oggetto di discussione la natura dei quark: non era chiaro se i quark fossero entità fisiche o invece astratte usate solo per spiegare concetti non ancora compresi all'epoca..

In meno di un anno, furono proposte delle estensioni al modello di Gell-Mann–Zweig. Sheldon Lee Glashow e James Bjorken predissero l'esistenza di un quarto sapore di quark, che chiamarono charm. Fu proposta questa aggiunta poiché portava a una migliore spiegazione dell'interazione debole, alla base del decadimento dei quark; uguagliava il numero dei quark al numero dei leptoni conosciuti e implicava una formula di massa che riproduceva correttamente le masse dei mesoni conosciuti.

Nel 1968, esperimenti di scattering anelastici profondi presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) mostrarono che il protone è composto da oggetti puntiformi, molto più piccoli, e che quindi non è una particella elementare. Al tempo, i fisici erano riluttanti ad identificare questi oggetti con i quark; venivano invece chiamati "partoni" – un termine coniato da Richard Feynman.. Le particelle puntiformi osservate allo SLAC sarebbero state identificate in seguito come quark up e down, quando furono scoperti gli altri sapori.. Ciononostante, "partone" rimane in uso come un termine per indicare collettivamente i costituenti degli adroni (quark, antiquark, e gluoni).

L'esistenza del quark strange fu validata indirettamente dagli esperimenti di scattering dello SLAC: non solo era una componente necessaria del modello a tre quark di Gell-Mann e Zweig, ma forniva anche una spiegazione per il kaone () e il pione (), adroni scoperti nei raggi cosmici nel 1947.

In un articolo del 1970, Glashow, Ioannis Iliopoulos e Luciano Maiani presentarono il meccanismo GIM per spiegare perché le flavour-changing neutral current non sono mai state osservate sperimentalmente. Questo modello teorico necessitava dell'esistenza del quark charm, all'epoca non ancora scoperto.. Il numero dei quark ipotetici arrivò a sei nel 1973, quando Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa notarono che l'osservazione sperimentale della violazione CPLa violazione CP è un fenomeno che porta le interazioni deboli a comportarsi diversamente quando si scambiano sinistra e destra (simmetria P) e quando le particelle vengono scambiate con la corrispondente antiparticella (simmetria C). poteva essere spiegata se ci fosse un'altra coppia di quark.

Mesoni contenenti quark charm furono scoperti quasi simultaneamente da due team a novembre del 1974 – uno allo SLAC sotto la guida di Burton Richter, e uno al Brookhaven National Laboratory sotto la guida di Samuel Ting. I quark charm furono osservati legati a degli antiquark charm per formare un mesone. Le due squadre assegnarono al mesone scoperto due simboli diversi, J e ψ; quindi, il mesone divenne noto formalmente con il nome di mesone . La scoperta convinse definitivamente la comunità scientifica della validità del modello a quark.

Negli anni seguenti furono formulate diverse proposte per estendere il modello a sei quark. Di queste, l'articolo del 1974 di Haim Harari fu il primo a coniare i termini top e bottom per i due quark aggiuntivi.. Nel 1977, il quark bottom fu osservato da un team guidato da Leon Max Lederman al Fermilab. Questo fu un forte indicatore dell'esistenza del quark top: senza il quark top, il quark bottom non avrebbe un partner della stessa generazione. Tuttavia, il quark top non fu scoperto fino al 1995, di nuovo dai team CDF e DØ al Fermilab. Aveva una massa molto più grande di quanto ci si aspettava,. quasi quanto quella di un atomo di oro.

Classificazione

Il modello standard è la struttura teorica che descrive tutte le particelle elementari attualmente note. Questo modello contiene sei sapori di quark (), chiamati up (), down (), strange (), charm (), bottom (), e top (). Le antiparticelle dei quark sono detti antiquark e sono indicati con una barra sopra il simbolo del quark corrispondente; ad esempio indica un antiquark up. Come per l'antimateria in generale, gli antiquark hanno la stessa massa, stessa vita media e stesso spin dei rispettivi quark, ma la carica elettrica e le altre cariche hanno il segno opposto.

I quark sono particelle a spin semi-intero; ciò implica, per il teorema spin-statistica, che sono fermioni. Sono soggetti al principio di esclusione di Pauli, il quale afferma che due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico. Ciò li differenzia dai bosoni (particelle con spin intero), che possono stare nello stesso stato in un numero qualsiasi. A differenza dei leptoni, i quark possiedono la carica di colore, che li fa prendere parte all'interazione forte. L'attrazione tra i quark causa la formazione di particelle composte chiamate adroni.

I quark che determinano i numeri quantici degli adroni sono detti quark di valenza (anche detti quark vestiti); oltre a questi, gli adroni possono contenere un numero indefinito di quark, antiquark e gluoni "del mare" (anche detti quark nudi), che non influenzano i numeri quantici.. Ci sono due famiglie di adroni: i barioni, con tre quark di valenza, e i mesoni, con un quark e un antiquark di valenza.Sezione 6.1. in I barioni più comuni sono i protoni e i neutroni, i costituenti dei nuclei. Sono noti un grande numero di adroni, i quali differiscono tra di loro per i quark contenuti e il loro stato. L'esistenza di adroni esotici con più di tre quark di valenza, come i tetraquark () e i pentaquark (), fu ipotizzata fin dal principio del modello a quark ma non fu confermata fino all'inizio del XXI secolo.