Los quarks

Los quarks son elementos fundamentales de la materia visible

Los quarks, junto con los leptones (electrones, muones, tauones) y los neutrinos , son los constituyentes fundamentales de la materia visible y son las partículas más pequeñas que el hombre ha logrado identificar.

 

La palabra “quark” fue acuñada en 1963 por el físico estadounidense Murray Gell-Mann (1929) como una palabra sin sentido que rimaba con Mark. Encontró la palabra «quark» en un libro de James Joyce, en la frase “Three quarks for Muster Mark”, que podría ser “Tres quartos para Mister Mark”. El número tres encajaba perfectamente ya que en ese tiempo sólo había tres quarks conocidos y estaban en grupos de a tres en los bariones. Pulse en la imagen, para saber más acerca de este brillante científico,

Nunca ha sido posible aislar a un quark. La vida solitaria les está prohibida. Siempre se encuentran en grupos de a tres (protones y neutrones, en donde están unidos por el intercambio de gluones) o en grupos de a dos ( mesones pi y mesones K),

Esta capacidad para unirse, se debe a que experimentan la acción de la fuerza nuclear fuerte. Precisamente los trabajos iniciados por Murray para estudiar este fenómeno, se denomina Cromodinámica Cuántica (CDC).

 

Murray

Actualmente, se pueden distinguir seis tipos de quarks (con los correspondientes antiquarks) que los físicos de partículas han denominado de manera arbitraria, pero  fácil de recordar y usar:
- Quark up
(arriba) o simplemente u ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1964.
- Quark down (abajo) o simplemente d ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1968.
- Quark charm (encantado) o simplemente c ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1971.
- Quark strange (extraño) o simplemente s ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1964.
- Quark top (cima) o simplemente t ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1995.
- Quark bottom (fondo) o simplemente b ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1995.

Las variedades s, c, b y t son muy inestables y después del Big Bang tardaron sólo una fracción de segundo en desaparecer del universo; pero, actualmente, los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos.

Neutrón Protón

Las variedades u y d sí que existen actualmente en la naturaleza de manera estable, y se distinguen entre ellas por su carga eléctrica (entre otras características).

En la naturaleza, los quarks u y d no se encuentran aislados; siempre se aglutinan en grupos de a 2 (hadrones) o de a 3 (bariones).

Los protones y los neutrones están formados por 3 quarks que se combinan de manera que producen una carga entera.

Neutrón
Protón

No hay información de cargas fraccionarias de partículas aisladas. Actualmente se desconoce por qué la suma de las cargas eléctricas de los quarks en un protón se corresponde exactamente con la de un electrón.

Los 6 tipos de quarks se caracterizan por la carga eléctrica, la masa, el sabor y el espín.
- La carga eléctrica es una fracción de la carga eléctrica de un electrón, que se considera unitaria.
- Las generaciones se establecieron de acuerdo a la magnitud de la masa.
- Los quarks tienen espín +½ ó -½, por lo que se clasifican dentro de la familia de los fermiones.

La noción de la masa de un quark es una construcción teórica que tiene sentido sólo cuando se especifica exactamente qué se usará para definirla. La masa del quark t es puede ser medida directamente de los productos desintegrados resultantes en el Tevatrón, que es el único acelerador de partículas con la suficiente energía para producir quarks t en abundancia.

El sabor de un quark se relaciona con el hecho de que los quarks pueden cambiar de tipo, debido a la interacción débil. A este cambio, se le denomina sabor. El bosón W y el bosón Z son los que permiten el cambio de sabor en los quarks; estos bosones son los causantes de la interacción débil. Cada quark tiene un sabor diferente que interactúa con los bosones de una manera única. El sabor de los quarks u y d es el isospín débil. El quark s, tendrá un número cuántico o sabor, homónimo, llamado strange y tiene el valor de -1. Para el quark c el sabor es encantado y tiene el valor de 1.

El color de un quark no tiene nada que ver con la percepción de la frecuencia de la luz; el color es la carga envuelta en la teoría de gauge, más conocida como cromodinámica cuántica. Los quarks, al ser fermiones, deben seguir el “principio de exclusión de Pauli”. Este principio implica que los tres quarks de un barión deben estar en una combinación antisimétrica. Esto implica que existe otro número cuántico interno. A esta propiedad, o número cuántico, se le denominó color. Los quarks tienen tres colores, análogo con los tres colores fundamentales rojo, verde y azul.

Por todo esto se suele decir que existen 18 tipos de quarks, 6 por sabor y cada uno con 3 colores.

Una lista de estas propiedades para cada quark sería:

 

Nombre

Familia

Masa

Sabor

Carga

Espín

 

arriba (up)  u

1ª

1,5 – 4,0

Iz +½

+

+½

 

abajo (down)  d

1ª

4 – 8

Iz-½

-

-½

 

extraño (strange)  s

2ª

80-130

-1

-

-½

 

encantado(charm)  c

2ª

1.150-1.350

1

+

+½

 

fondo (bottom)  b

3ª

4.100-4.400

-1

-

+½

 

cima (top)  t

3ª

170.900

1

+

+½

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

El modelo atómico de Rutherford establecía que el átomo no es indivisible, sino que consta de un núcleo central con carga eléctrica positiva y de una nube de electrones que giran a su alrededor. El núcleo atómico está formado por protones y neutrones. Estas 3 partículas elementales (protones, neutrones y electrones) pasaron a 4, cuando en la década de 1930 aparecieron, de forma indirecta, los neutrinos.

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 eléctrica positiva en su interior.

Entre 1967 y 1973, se realizaron una serie de experimentos, en el acelerador lineal de partículas de Stanford (SLAC), con el objetivo de estudiar la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón. En el SLAC, las partículas aceleradas pueden alcanzar energías de hasta 50 GeV, suficiente para que puedan traspasar nucleones (protones y neutrones).

El análisis teórico de las colisiones inelásticas consideran varias hipótesis para explicar la función de forma de la dispersión resultante de las colisiones. Una de ellas, es considerar que un protón está compuesto por partículas puntuales cargadas y con espín 1/2.  Al analizar los datos experimentales, se comprobó que tal hipótesis era la adecuada.  Este descubrimiento les mereció el premio Nobel de Física de 1990 a Taylor, Kendall y Friedmann, líderes de los experimentos en el SLAC.

Ir a la página inicial