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Quark

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Quark, en física de partículas, es uno de los dos elementos básicos que constituyen la materia (lo otro es el lépton) y es la única, de entre las partículas, que interage a través de todas las cuatro fuerzas fundamentales. El quark es un férmion fundamental con carga hadrónica o color. No se observaron aún quarks en estado libre. Según la Plantilla Normalizada, los quarks ocurren en seis tipos en la naturaleza: "top", "bottom", "charm", "strange", "up" y "down". Los dos últimos forman los prótons y nêutrons, mientras los cuatro primeros son formados en hádrons inestables en aceleradores de partículas.

Los quarks tienen una unidad de carga hadrônica, que aparece en tres tipos distinguidos (colores). El campo hadrônico es también llamado de fuerza nuclear fuerte. La teoría que estudia la dinámica de quarks y de las cargas hadrônicas (mediadas por los glúons) es llamada Cromodinâmica Quântica. Según la Cromodinâmica Quântica, los quarks pueden formar estados conectados a los pares y a la trincas. Los pares de quarks son llamados mésons y las trincas hádrons. El próton es una trinca de quarks, formado por dos quarks "up" y un quark "down". El nêutron es otro estado conectado de tres quarks, dos de ellos "down" y un "up".

Los quarks tienen carga eléctrica -1/3 o 2/3, donde la unidad es la carga del electrón. Antipartículas de los quarks tienen carga opuesta. Los quarks también interagem con la fuerza nuclear débil, la cual transmuta tipos distinguidos de quarks. Por ejemplo, el quark tipo "down" puede cambiar para un quark tipo "up" por la emisión de un bóson vectorial massivo, que transporta la fuerza nuclear débil. Tal mecanismo está por detrás de la desintegración del nêutron.

A pesar de no ser observados en estado libre, la masa de los quarks puede ser inferida de los hádrons y mésons observados. Se sabe que los quarks "up" y "down" tiene masa comparable con a de el eléctron, mientras el quark "top" tiene una masa cerca de 200 veces mayor que a de el próton.

La propiedad más importante de los quarks es llamada de confinamento . ES un hecho experimental que los quarks individuales no son vistos  — Ellos están siempre confinados al interior de los hádrons, partículas subatomicas como los protons, neutrons, y meson . Se esperaba que esta propiedad fundamental surgiera de la moderna teoría de las interacciones fuerte, llamada de cromodinâmica quântica (QCD). Aunque no exista ninguna derivación matemática de confinamento en la QCD, es fácil mostrar esto usando la teoría reja gauge.

Tabla de contenido

Quarks libres

Ninguna investigación para quarks libres o carga eléctrica fraccionaria produjo una evidencia convincente. La ausencia de quarks libres fue entonces siendo incorporada en la noción de confinamento , el cual, se cree, la teoría de quark debe poseer. Pero, debe ser posible cambiar el volumen del confinamento por la creación de materia quark densa o caliente. Esta nueva fase de la materia QCD fue predicha teóricamente y búsquedas experimentáis por ella ya fueron iniciadas.

Confinamento y propiedades del quark

Cada partícula subatômica es descrita por un pequeño conjunto de números quânticos tales como spin J, paridad P, y masa m. Usualmente estas propiedades son directamente identificadas por experimentos. Pero, el confinamento hace imposible medir estas propiedades en los quarks. En vez de esto, ellas deben ser inferidas por la medição de las propiedades de las partículas compuestas que son hechas de quarks. Tales inferencias son más fáciles de ser hechas añadiendo números quânticos llamados de sabor (flavor).

Las particulas compuestas hechas de quarks y anti-quarks son los hádrons. Estos incluyen los mesons los cuales obtienen sus números quânticos de un quark y de un anti-quark, y los baryons, los cuales obtienen sus números quânticos de tres quarks. Los quarks (y los anti-quarks) que cuentan para los números quânticos de los hádrons son llamados quark d valência. Aparte de estos, muchos hádrons deben contener un número indefinido de quarks, anti-quarks y gluons virtual los cuales contribuyen para sus números quânticos. Cada quark virtual es denominado de mar de quarks.

Sabores

Sabor en partículas físicas
Números quânticos sabores
  • Y=B+S+C+B'+T
  • Q=Iz+Y/2
  • Q=Tz+YW/2
  • B-L conservada en la plantilla normalizada

Tópicos relacionados:

Cada quark es atribuido un número bariônico, B  =  1/3, y un numero leptônico nula L  =  0. Ellos tiene una carga eléctrica fracionada, Q, Q  =  +2/3 o Q  =  −1/3. Los iniciales llamaron up-type quarks, y después, down-type quarks. Cada quark es atribuido un isospin débil: Tz  =  +1/2 para un quark "up" y T z  =  −1/2 para un quark "down". Cada vez que se dobla el isopin débil se ha una nueva generación de quarks. Existen tres generaciones, y entonces 6 sabores de quarks — el quark up tiene los sabores u, c y t, los down los d, s, b.

El número de generaciones de quarks y léptons son iguales en la plantilla normalizada. El número de generaciones de leptons es fuertemente restricto, según las pruebas experimentáis hechos en el LEP y CERN y por la observación de la abundancia de hélio en el universo. La precisión de la medição de la media-vida del bóson Z en el LEP restringe el número de generaciones a tres. Observaciones astronômicas de la abundancia de hélio producen resultados consistentes con esa restricción. Los resultados, de una búsqueda directa por una cuarta generación de quarks apuntan para la existencia de un límite mínimo en la masa de los quarks, siendo los de cuarta generación los más leves posibles. De más severa limitación vino del análisis de los resultados del colisor Tevatron del Fermilab, y muestra que la masa de la cuarta generación de quark debe ser mayor que 190 GeV.

Cada sabor define un número quântico que será conservado durante la interacción fuerte, pero no en la interacción débil. La alteración de la magnitud del sabor en la interacción débil es codificada en una estructura llamada matriz CKM. Esta también determina la violación CP que es permitida en la plantilla normalizada. Los números quânticos del sabor son descritos en detalles en el artículo Sabor.

Spin

Números quânticos corresponden la simetrias no-abelianas tal como la rotación. Ellas requieren más atención en su extracción, dado que las simetrias no son aditivas. En la plantilla de los quarks, la construcción de un mésons se da con un quark y un antiquark; por otro lado, bárions son constituidos por tres quarks. Desde que los mésons son bósons (tienen spin entero) y bárions son férmions (tienen spin semi-entero), la plantilla de los quarks implica que los quarks son férmions. Además de esto, el hecho de bárions más leves tengan spin igual a -1/2 implica que cada quark puede tener spin J  =  1/2. Los spins de mésons y bárions excitados son completamente consistente con estos argumentos.

Colores

Como los quarks son férmions, el principio de exclusión de Pauli implica que los tres quarks de valência deban estar en una combinación assimétrica en un bárion. Pero, la carga Q =  2 bárion, Δ++ (la cual es una de los cuatro isospin Iz  =  3/2 bárions) puede solamente ser hecha de tres quarks u con spins paralelos. Como esta configuración es simétrica con respecto al intercambio de las cargas de los quarks, eso implica que existen otros números quânticos internos que podrán entonces compôr combinaciones assimétricas. A esto se da el nombre de memoria, aunque no haya nada a ver con la sensación fisiológica colores. Este número quântico es la carga envuelta en la Teoría Gauge llamada de Cromodinâmica Quântica (QCD).

La otra única partícula coloreada es el gluon, el cual es el bóson mediador de la QCD. Tal como todas las otras teorías mediadoras no-Abelianas (y diferentemente de la Eletrodinâmica Quântica) los bósons mediadores interagem con los otros debido a la misma fuerza que afecta los quarks.

El Color es una simetria gauge SU(3). Los quarks son dispuestos en la representación fundamental, 3, desde que ellos se muestren en 3 colores. Los gluons son dispuestos en la representación adjunta, 8 y, así pues aparecen en 8 variedades. Para más informaciones a este respeto, vea carga coloreada.

Masa del quark

Aunque se hable de la masa del quark de la misma forma que se habla de la masa de otra partícula, la noción de la masa del quark es más complicada por el hecho de él no poder ser encontrado libre en la naturaleza. Como un resultado de esto, la noción de la masa del quark es una construcción teórica, la cual sólo tiene sentido cuando se especifica el procedimiento usado para la definís.

Masa corriente del quark

La aproximada simetria chiral de la QCD, por ejemplo, permite definir la razón entre las masas de los varios quarks (para cima, para bajo y extraño) a través de la combinación de las masas del octeto de méson escalar en la plantilla quark utilizando la teoría de la perturbação chiral, dato

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{m_u}{m_d}=0.56\qquad{\rm y \qquad\frac}{m_s}{m_d}=20.1.

El hecho de que mu  ≠  0 es importante, dado que estos no están en el problema fuerte CP si mu sean eliminadas. Los valores absolutos de masa fueron actualmente determinados para leyes de suma QCD (también conocido como leyes de la somatória de la función espectral) y reja QCD. La masa determinada de esta manera es conocida como masa corriente del quark. La conexión entre diferencias de masa corriente del quark necesita de mecanismo pleno de renormalização para estas especificaciones.

Masa del quark de valência

Otro, antiguo, método de especificar la masa del quark fue usado en la fórmula de masa de Gell-Mann-Nishijima en la plantilla de quark, la cual relaciona la masa del hádron a la masas del quark. La masa así determinada es llamada masa del quark constituyente, y es significantemente diferente de la masa corriente del quark definida arriba. La masa constituyente no tiene cualquier significado dinámico.

Masa de los quarks pesados

Las masas de los quarks pesados, encanto e inferior son obtenidas de las masas de hádrons que contienen un simple quark pesado (y un antiquark leve o dos quarks leves) y del análisis de su quarkoma. Cálculos con reja QCD usando la teoría del quark pesado influyente (HQET en inglés) o cromodinâmica quântica no relativista (NRQCD en inglés) son usadas actualmente para determinar la masa de estos quarks.

El quark tope es suficientemente pesado para que la QCD de perturbação pueda ser usada para determinar su masa. Antes de su descubrimiento en 1995, la mejor estimativa teórica de la masa del quark tope fue obtenida del análisis global de pruebas de precisión de la Plantilla Normalizada. El quark tope, pero, es el único entre los quarks que decai antes que se tenga una oportunidad de hadronizar. Portando, su masa tiene que ser indirectamente medida a través del producto de su decaimento. Esto puede ser hecho solamente en un Tevatron el cual es el único acelerador de partícula con energía bastante para producir quarks en abundancia.

Propiedades de los Quarks
Sabor Nombre Generación Carga Masa (MeV)
Iz=+1/2, Tz=+1/2 para arriba (u) 1 +2/3 1.5 a 4.0
Iz=−1/2, Tz=−1/2 para abajo (d) 1 −1/3 4 a 8
S=−1, Tz=−1/2 Extraño (s) 2 −1/3 80 a 130
C=1, Tz=+1/2 Charmoso (c) 2 +2/3 1150 a 1350
B′=−1, Tz=−1/2 Inferior (b) 3 −1/3 4100 a 4400
T=1, Tz=+1/2 Superior (t) 3 +2/3 172700 ± 2900

Antiquarks

Los números quânticos aditivos de antiquarks son iguales en magnitud y opuestos en señal a aquellos de los quarks. La simetria CPT los obliga a tener lo mismo spin y masa que sus quarks correspondientes. Pruebas de simetria CPT no pueden ser realizados directamente en los quarks y antiquarks debido al confinamento, pero pueden ser hecho en los hádrons. La notação de antiquarks sigue a la de la antimatéria en general: un quark up es referido como Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \mathrm{u}\, , y un quark anti-up es referido como Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \bar{\mathrm{u}} .

Sub-estructura

Algunas evoluciones de la Plantilla Normalizada lanzaron la idea que los quarks y leptons tienen subestructura. En otras palabras, esta plantilla asume que las partículas elementales de la plantilla normalizada son de hecho partículas compuestas, hechas de algún otro constituyente elemental. Tales ideas están abiertas para la fase de pruebas experimentáis, y estas teorías son severamente limitadas por falta de datos. No hay en el momento actual ninguna evidencia de esta sub-estructura.

Historia

La noción de quarks evolucionó de la clasificación de los hádrons desarrollada independientemente en 1961 por Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima, siendo actualmente denominada como plantilla quark. El esquema agrupa partículas con isospin y estranheza usando simetria unitaria derivada del álgebra corriente, la cual nodos reconocemos hoy como parte de simetria chiral de QCD aproximada. Esta es una simetria de sabor SU(3) global, la cual no debe ser confundida con la simetria de calibre de la QCD.

En este esquema los mésons leves (spin-0) y los bárions (spin-½) fueron agrupados en octetos, 8, con simetria de sabor. La clasificación de los bárions de spin-3/2 en una representación 10 produjo previsión de una nueva partícula, Ω, la cual fue descubierta en 1964, llevando a la ancha aceptación de la plantilla. La deseada representación 3 fue identificada como quarks.

Este esquema quedó conocido como "plantilla de los ocho pliegues" (del inglés eightfold way) por Gell-Mann, en una clara referencia a los octetos de la plantilla de los ocho pliegues del Budismo. Él también inventó el nombre quark y le atribuyó la sentencia “Three quarks sea Muster Mark” en Finnegans Wake de James Joyce. Los resultados negativos de los experimentos de búsqueda del quark llevaron Gell-Mann a considerarlos como ficción matemática.

El análisis de ciertas propiedad de las reacciones de altas energías de los hádrons llevó Richard Feynman a postular la existencia de subestructuras en los hádrons, las cuales fueron llamadas de pártons (pues ellas son partes de los hádrons). Una adaptación de secciones tranversais de espalhamento profundamente inelástico derivada del álgebra corriente por James Bjorken recibió una explicación en términos de párton. Cuando adaptación de Bjorken fue verificada experimentalmente en 1969, fue inmediatamente percibido que partons y quarks podrían ser la misma cosa. Con la prueba de la libertad assintótica en la QCD en 1973 por David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, esta concepción fue firmemente establecida.

El quark charmoso fue postulado por Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani en 1973 para prevenir cambios no físicos del sabor en decaimentos débiles, los cuales deberían de otra forma ocurrir según la plantilla normalizada. El descubrimiento en 1975 del méson que vino a ser denominado de J/ψ llevó al reconocimiento que él sería compuesto de un quark charmoso y un antiquark.

La existencia de una tercera generación de quaks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1973, que entendieron que la observación de la violación de la simetria CP por kaons neutros no podría ser acomodada en la plantilla normalizada con dos generaciones de quarks. El quark inferior fue descubierto en 1980 y el quark superior en 1996 en el acelerador de partículas Tevatron, del Fermilab.

Ver también

Referencias y conexiones externas

Commons
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Fuentes primarias y secundarias

Otras refêrencias

Partículas en la física - partículas elementales

Férmions : Quarks | Léptons
Quarks: u | d | s | c | b | t
Léptons: Electrón/Pósitron | Múon | Tau | Neutrinos
Bósons de calibre : Fóton | Bósons W y Z | Glúons
No observadas: Bóson de Higgs | Gráviton | ...