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Quark

En física de partículas, los cuarks[1][2]​ o quarks[3][4]​ 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.

Quark q

Un neutrón, compuesto por dos quark abajo (d) y un quark arriba (u). (El color asignado a cada cuark no es importante, solo lo es el que estén presentes los tres colores.)
Composición Partícula elemental
Familia Fermión
Generación 1.ª, 2.ª, 3.ª 4.a
Interacción Gravedad,
Nuclear débil,
Nuclear fuerte,
Electromagnetismo
Antipartícula Antiquark q
Teorizada Murray Gell-Mann (1964)
George Zweig (1964)
Descubierta SLAC (1968)
Tipos 6 (up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima), y bottom (fondo))
Carga eléctrica +2/3 e, −1/3 e
Carga de color
Espín 1/2

Los cuarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Son partículas de espín 1/2, y son fermiones de Dirac por lo que sus correspondientes antipartículas existen.

Hay seis tipos distintos de cuarks cada uno "portador" de un número cuántico del modelo de quarks. Los físicos de partículas[5][6]​han denominado de la siguiente manera:

Nombre Alias (traducción) Número cuántico
Quark u up (arriba) Isospin +1/2
Quark d down (abajo) Isospin -1/2
Quark c charm (encanto) encanto +1
Quark s strange (extraño) extrañeza -1
Quark t top/truth (cima/verdad) topness (superioridad) +1
Quark b bottom/beauty (fondo/belleza) bottomness (inferioridad) -1

Los cuarks s, c, t y b son lo suficientemente masivos para decaer en otros quarks mediando 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[7]​ en grupos, fenómeno llamado confinamiento de color.

Los hadrones de spin entero (bosón) se clasifican como los mesones y los de spin semientero (fermión) como bariones. Los mesones observados son consistentes con una composición de (una pareja quark-antiquark) y los bariones como la composición de tres cuarks o antiquarks.

Gell-Mann en 1965 y Zweig[8]​ propusieron hadrones hipotéticos compuestos por más de tres quarks como los tetraquarks (con cuatro quarks), pentaquarks (con cinco quarks), y moléculas hadrónicas.[9]​ 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,[10]​ cuya evidencia, en principio controvertida,[11]​ fue demostrada gracias al Gran Colisionador de Hadrones en julio de 2015.[12]

Modelo de quarks

 
Octeto de bariones según el modelo de quarks.

La noción de 'cuark teórica nace del intento de clasificar a los hadrones, ahora explicados gracias al modelo de quarks. Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima realizaron esa clasificación de manera independiente en 1964.[13]

Los quarks son la conclusión de los intentos para encontrar los fundamentos de la construcción de la materia. Con el triunfo de la teoría atómica en el siglo XIX 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, fuera 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, dieron la impresión de que nos enfrentábamos a un zoológico de partículas y fueron 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 la 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[aclaración requerida]. 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 quarks.[cita requerida]

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 llevó a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones, a los que él llamó partones (porque eran parte de los hadrones).[14]

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.[15]​ Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Ernest Rutherford años atrás 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 estos 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.[15]​ Se habían descubierto los quarks 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 quarks 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:

... el descubrimiento específico fue un descubrimiento. No sabíamos si estaría ahí, y tampoco nadie en este mundo —ni la gente que inventó el quark ni toda la comunidad teórica—. Nadie podía decir específica y unívocamente: hey amigos vayan por el quark. Esperamos que esté en los nucleones.[15]

Diferentes quarks

En 1967 se creía que solo existían el quark arriba, abajo y extraño. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maianicon postularon la existencia del quark 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 quark encantado y su antiquark.[16]

Luego, se planteó la hipótesis del quinto y sexto quark, llamados quark cima y fondo. La existencia de una tercera generación de quarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1972;[17]​ ellos 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 quarks. El quark fondo fue descubierto en 1977 y el quark cima en 1995.[18][19]

Etimología

La palabra fue originalmente designada por Murray Gell-Mann como una palabra sin sentido que rimaba con pork,[20]​ pero sin ortografía.[21]​ Después, él encontró la palabra «quark» en un libro de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahí se usó su ortografía:

Three quarks for Muster Mark!  
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.

Gell-Mann dijo sobre esto que[22]

En 1963, cuando asigné el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones, yo tenía el primer sonido, sin ortografía, que podría haber sido kwork. Luego, en uno de sus ocasionales lecturas de Finnegans Wake, por James Joyce, me crucé con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark. Entonces quark (que significa, por un lado, el grito de la gaviota) fue el claro intento de rimar con Mark, como con bark y otras palabras parecidas. Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla así como kwork. Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto suelen proceder de varias fuentes a la vez, como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass. De vez en cuando, las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar. Yo argumenté, por lo tanto, que uno de los múltiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podría ser Three quarts for Mister Mark, en ese caso la pronunciación de "kwork" podría justificarse totalmente. En cualquier caso, el número tres encajaba a la perfección en el modo en que los quarks aparecen en la naturaleza.

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 cuá) 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 quarks. 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 quarks y leptones que conocemos pero no podría descartarse del todo la posibilidad de una cuarta generación. Este modelo contiene seis sabores de quarks (q) divididos en tres generaciones. En la primera tenemos los quarks arriba (u) y abajo (d). En la segunda, los quarks encantado (c) y extraño (s). Y en la tercera, los quarks fondo (b) y cima (t). Las Antipartículas de los quarks son los antiquarks, y son denotados por una barra sobre el símbolo del correspondiente quark, por ejemplo, si un quark se representa  , un antiquark se escribe  . Así como con la antimateria en general, los antiquarks tienen la misma masa, vida media, y espín que sus respectivos quarks, pero con carga opuesta.

Propiedades

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 quark y un antiquark (piones, kaones,...)
  • Bariones: fermiones formados por tres o cinco[8]​ quarks y/o antiquarks (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:[23][24]

Nombre Símbolo Generación Isospín débil Sabor Carga Masa (MeV/c2)
Quark levógiro Quark dextrógiro Proyección del isospin Encanto (charmness) Extrañeza (strangeness) Superioridad (topness) Inferioridad (bottomness)
arriba (up) u 1 0 0 0 0 0 +⅔ 1,5
abajo (down) d 1 0 0 0 0 0 -⅓ 4,0
encanto (charm) c 2 0 0 +1 0 0 0 +⅔ 1150 – 1350
extraño (strange) s 2 0 0 0 -1 0 0 -⅓ 80 – 130
cima (top) t 3 0 0 0 0 +1 0 +⅔ 170900 ± 1800
fondo (bottom) b 3 0 0 0 0 0 -1 -⅓ 4100 – 4400

Junto a los leptones, los quarks forman prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. En concreto la constituyen los dos primeros quarks 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 quarks. Actualmente se desconoce por qué la suma de las cargas de los quarks en un protón se corresponde exactamente a la del electrón, un leptón, con signo opuesto.

Masa

Aunque si bien se habla de la masa de los quarks en el mismo sentido que la masa de cualquier otra partícula, la noción de masa para un quark es complicada por el hecho que los quarks no pueden encontrarse solos en la naturaleza: por lo general se encuentran acompañados de un gluón.[cita requerida] Por consiguiente, la noción de la masa de un quark es una construcción teórica que tiene sentido solo cuando se especifica exactamente qué se usará .[cita requerida]

La simetría quiral aproximada de la cromodinámica cuántica, por ejemplo, permite definir la razón entre varias masas de quarks a través de combinaciones de las masas de los octetos pseudoescalares de los mesones en el modelo de quarks por la teoría de perturbación quiral, así:[cita requerida]

 

El hecho de que el quark arriba "tenga" masa es importante porque había un problema con la violación CP si éstos no tenían masa. Los valores absolutos de las masas son determinados por las reglas de suma de funciones espectrales (o también las reglas de suma de la cromodinámica cuántica).[cita requerida]

Otro método para especificar las masas de los quarks fue usada por Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima en el modelo de quarks que conectaba la masa del hadrón con la masa de los quarks. Estas masas, llamadas masas constituyentes de quarks, son considerablemente diferentes de las masas definidas anteriormente. Las masas constituyentes no tienen ningún significado dinámico posterior.[cita requerida]

Por otro lado, las masas de los quarks más masivos, el encantado y el fondo, se obtuvieron de las masas de los hadrones que contenían un quark pesado (y un antiquark ligero o dos quarks ligeros) y del análisis de quarkonios. Los cálculos del enrejado de la cromodinámica cuántica usando una teoría efectiva de quarks pesados o cronodinámica cuántica no relativista se usan ahora para determinar la masa de esos quarks.[cita requerida]

El quark cima es lo suficientemente pesado para que la perturbación de la QCD pueda usarse para determinar su masa. Antes de su descubrimiento en 1995, la mejor teoría estimaba que la masa del quark cima podía obtenerse del análisis global de test de precisión del modelo estándar. El quark cima, sin embargo, tiene la única cantidad de quarks que se desintegran antes de hadronizarse. Entonces, la masa puede medirse directamente a partir de los productos desintegrados resultantes. Estos solo pueden hacerse en el tevatrón que es el único acelerador de partículas con la suficiente energía para producir quarks cima en abundancia.[cita requerida]

Isospín débil

El valor de esta propiedad para los quarks es de 1/2, y su signo depende de qué tipo de quark es. Para los quarks tipo u (u, c y t) es de +1/2, mientras que para los otros, llamados quarks tipo d (d, s, b), es de -1/2. De acuerdo con el isospín débil, un quark tipo u deberá desintegrarse para obtener un quark tipo d y viceversa. No se admiten desintegraciones entre quarks del mismo tipo. Las partículas que permiten estos cambios de carga del isospín débil son los bosones W y Z.

Sabor

 
Diferencia entre fermiones y bosones.

Debido a la interacción débil todos los fermiones, y en este caso los quarks, pueden cambiar de tipo; a este cambio se le denomina sabor.[25]​ Los bosones W y 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 interactuará con los bosones de una manera única.

El sabor de los quarks arriba y abajo es el isospín débil, antes mencionado. El quark extraño, tendrá un número cuántico o sabor, homónimo, llamado extrañeza y tiene el valor de -1. Para el quark encantado es encantado y tiene el valor de 1; y así sucesivamente con los otros dos como pico se puede ver en la tabla anterior.

Carga de color

Los quarks, al ser fermiones, deben seguir el principio de exclusión de Pauli. Este principio implica que los tres quarks en un barión deben estar en una combinación antisimétrica. Sin embargo, la carga Q=2 del barión Δ++ (que es un cuarto del isospín Iz  =  3/2 de los bariones) puede ser realizado solo por quarks con espín paralelo. Esta configuración es simétrica bajo intercambio de quarks; esto implica que existe otro número cuántico interno para que pueda hacerse esa combinación antisimétrica. A esta propiedad o número cuántico se le denominó color. El color no tiene nada que ver con la percepción de la frecuencia de la luz; por el contrario, el color es la carga envuelta en la teoría de gauge, más conocida como cromodinámica cuántica.[cita requerida]

El color es una simetría de gauge SU(3). Los quarks están localizados en la representación fundamental 3 y, por lo tanto, tienen tres colores, en analogía con los tres colores fundamentales rojo, verde y azul, y de ahí viene su nombre. Es por eso que se suele decir que existen 18 tipos de quarks, 6 con sabor y cada uno con 3 colores.[cita requerida]

Subestructura

Nuevas extensiones del modelo estándar de física de partículas indican que los cuarks podrían estar compuestos de subestructuras. Esto asume que las partículas elementales del modelo estándar de física de partículas son partículas compuestas; estas hipótesis están siendo evaluadas, aunque actualmente no se ha descubierto tal estructura. Las llamadas subestructuras de los cuarks se denominan preones.

Véase también

Notas

  1. Real Academia Española y Asociación de Academias de la Lengua Española. «cuark». Diccionario de la lengua española (23.ª edición). Consultado el 8 de agosto de 2017. 
  2. «[...] con el fin de preservar la coherencia y simplicidad de nuestro sistema ortográfico, se recomienda que todos aquellos préstamos de otras lenguas (sean latinismos o extranjerismos) cuya grafía etimológica incluya una q con valor fónico independiente se adapten por completo al español sustituyendo dicha q por las grafías hoy asentadas en nuestra lengua para representar el fonema /k/. Esto supone pasar a escribir cuark, cuásar, cuórum o execuátur (y no quark, quásar, quórum o exequátur) y emplear la hispanización cuadrivio en lugar del latinismo semiadaptado quadrívium. En caso de mantener la q etimológica, estas voces deben considerarse extranjerismos o latinismos no adaptados y escribirse, por ello, en cursiva y sin tildes: quadrivium, quark, quasar, quorum o exequatur.». Citado en RAE y ASALE (2010). «§ 6.2.2.2.2 Uso de la letra q para representar el fonema /k/». Ortografía de la lengua española. Madrid: Espasa Calpe. ISBN 978-6-070-70653-0. Consultado el 8 de agosto de 2017. 
  3. Real Academia Española y Asociación de Academias de la Lengua Española. «quark». Diccionario de la lengua española (23.ª edición). Consultado el 8 de agosto de 2017. 
  4. «[...] en los casos de quark, quásar, quórum y exequátur, todas ellas incorporadas al léxico del español, aunque de empleo restringido a ciertos ámbitos como el científico o el jurídico-diplomático, se aconseja acomodarlas completamente a la ortografía española escribiendo cuark, cuásar, cuórum y execuátur.». Citado en RAE y ASALE (2010). «§ 2.3 Grafías ajenas al sistema ortográfico tradicional del español». Ortografía de la lengua española. Madrid: Espasa Calpe. p. 615. ISBN 978-6-070-70653-0. 
  5. «Nota dominical: Los tres primeros quarks y la historia de sus nombres». http://francis.naukas.com/. Consultado el 13 de febrero de 2017. 
  6. «Nota dominical: El nombre de los quarks de tercera generación». http://francis.naukas.com/. Consultado el 13 de febrero de 2017. 
  7. C. Patrignani et al. (Particle Data Group). «Free Quark Searches» (PDF). http://pdg.lbl.gov/ (en inglés). Consultado el 18 de octubre de 2016. «A central but unproven hypothesis of this theory, Quantum Chromodynamics, is that quarks cannot be observed as free particles but are confined to mesons and baryons.» 
  8. collaboration, LHCb; R., Aaij,; B., Adeva,; M., Adinolfi,; A., Affolder,; Z., Ajaltouni,; S., Akar,; J., Albrecht, et al. (13 de julio de 2015). «Observation of $J/\psi p$ resonances consistent with pentaquark states in ${\Lambda_b^0\to J/\psi K^-p}$ decays». arxiv.org. doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001. Consultado el 15 de octubre de 2016. «The prospect of hadrons with more than the minimal quark content [...] was proposed by Gell-Mann in 1964 [1] and Zweig, followed by a quantitative model for two quarks plus two antiquarks developed by Jaffe in 1976. The idea was expanded upon to include baryons composed of four quarks plus one antiquark; the name pentaquark was coined by Lipkin.» 
  9. «Moléculas Hadrónicas | Instituto de Física Corpuscular». webific.ific.uv.es. Consultado el 15 de octubre de 2016. 
  10. The SAPHIR Collaboration, J. Barth, et al.. «Evidence for the positive-strangeness pentaquark» (en inglés). Consultado el 8 de enero de 2008. 
  11. Sonia Kabana. «Review of the experimental evidence on pentaquarks and critical discussion» (en inglés). Consultado el 8 de enero de 2008. 
  12. Paul Rincon. «Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle» (en inglés). Consultado el 14 de julio de 2015. 
  13. «Quarks». Consultado el 8 de enero de 2008. 
  14. (en inglés). Archivado desde el original el 21 de abril de 2008. Consultado el 8 de enero de 2008. 
  15. «Mesons» (en inglés). Consultado el 8 de enero de 2008. 
  16. «The science of matter, space and time». Consultado el 22 de febrero de 2017. 
  17. «Observation of Top Quark Production in ¯pp Collisions with the Collider Detector at Fermilab». 
  18. «El extraño comportamiento del quark cima». 
  19. Gribbin, John. Richard Feynman: A Life in Science. Dutton 1997, p. 194.
  20. Proveniencia de la palabra quark
  21. Gell-Mann, Murray (1995). EL QUARK Y EL JAGUAR. Barcelona: Tusquet. 84-7223-844-X. 
  22. «Summary of Top Mass Results - March 2007». Consultado el 8 de enero de 2008. 
  23. «La masa de los quarks» (en inglés). Consultado el 8 de enero de 2008. 
  24. «Interacción débil». Consultado el 8 de enero de 2008. 

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Quark.
  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre quark.
  • («¿Qué es un quark?», por Isaac Asimov).
  • Pdg.lbl.gov (Particle Data Group: página sobre datos de partículas) (en inglés).
  • (página muy ilustrativa de la Universidad de Oxford sobre el protón) (en inglés).
  •   Datos: Q6718
  •   Multimedia: Quarks

quark, para, otros, usos, este, término, véase, desambiguación, física, partículas, cuarks, quarks, fermiones, elementales, masivos, interactúan, fuertemente, formando, materia, nuclear, ciertos, tipos, partículas, llamadas, hadrones, junto, leptones, constitu. Para otros usos de este termino vease Quark desambiguacion En fisica de particulas los cuarks 1 2 o quarks 3 4 son los fermiones elementales masivos que interactuan fuertemente formando la materia nuclear y ciertos tipos de particulas llamadas hadrones Junto con los leptones son los constituyentes fundamentales de la materia barionica Varias especies de cuarks se combinan de manera especifica para formar particulas subatomicas tales como protones y neutrones Quark qUn neutron compuesto por dos quark abajo d y un quark arriba u El color asignado a cada cuark no es importante solo lo es el que esten presentes los tres colores ComposicionParticula elementalFamiliaFermionGeneracion1 ª 2 ª 3 ª 4 aInteraccionGravedad Nuclear debil Nuclear fuerte ElectromagnetismoAntiparticulaAntiquark qTeorizadaMurray Gell Mann 1964 George Zweig 1964 DescubiertaSLAC 1968 Tipos6 up arriba down abajo charm encanto strange extrano top cima y bottom fondo Carga electrica 2 3 e 1 3 eCarga de colorSiEspin1 2 editar datos en Wikidata Los cuarks son las unicas particulas fundamentales que interactuan con las cuatro fuerzas fundamentales Son particulas de espin 1 2 y son fermiones de Dirac por lo que sus correspondientes antiparticulas existen Hay seis tipos distintos de cuarks cada uno portador de un numero cuantico del modelo de quarks Los fisicos de particulas 5 6 han denominado de la siguiente manera Nombre Alias traduccion Numero cuanticoQuark u up arriba Isospin 1 2Quark d down abajo Isospin 1 2Quark c charm encanto encanto 1Quark s strange extrano extraneza 1Quark t top truth cima verdad topness superioridad 1Quark b bottom beauty fondo belleza bottomness inferioridad 1Los cuarks s c t y b son lo suficientemente masivos para decaer en otros quarks mediando la interaccion debil Los cuarks u y d son los mas estables Una hipotesis central pero no comprobada es que los cuarks no pueden observarse libres sino confinados 7 en grupos fenomeno llamado confinamiento de color Los hadrones de spin entero boson se clasifican como los mesones y los de spin semientero fermion como bariones Los mesones observados son consistentes con una composicion de una pareja quark antiquark y los bariones como la composicion de tres cuarks o antiquarks Gell Mann en 1965 y Zweig 8 propusieron hadrones hipoteticos compuestos por mas de tres quarks como los tetraquarks con cuatro quarks pentaquarks con cinco quarks y moleculas hadronicas 9 Esto seria una consecuencia directa del confinamiento del color En el ano 2003 se encontro evidencia experimental de una nueva asociacion de cinco cuarks los pentaquark 10 cuya evidencia en principio controvertida 11 fue demostrada gracias al Gran Colisionador de Hadrones en julio de 2015 12 Indice 1 Modelo de quarks 2 Descubrimiento experimental 3 Diferentes quarks 4 Etimologia 5 Generacion 6 Propiedades 6 1 Carga 6 2 Masa 6 3 Isospin debil 6 4 Sabor 6 5 Carga de color 7 Subestructura 8 Vease tambien 9 Notas 10 Enlaces externosModelo de quarks EditarVease tambien Modelo de quarks Octeto de bariones segun el modelo de quarks La nocion de cuark teorica nace del intento de clasificar a los hadrones ahora explicados gracias al modelo de quarks Murray Gell Mann y Kazuhiko Nishijima realizaron esa clasificacion de manera independiente en 1964 13 Los quarks son la conclusion de los intentos para encontrar los fundamentos de la construccion de la materia Con el triunfo de la teoria atomica en el siglo XIX se concluia que los atomos eran los componentes ultimos de la materia y de ahi su nombre por ser indivisibles Con el modelo atomico de Rutherford se demostro que el atomo no era indivisible constaba de un nucleo y de una nube electronica Se demostro posteriormente que el nucleo atomico estaba conformado de protones y neutrones Con solo cinco particulas elementales fuera de los protones neutrones y electrones en la decada de 1930 comenzaron a aparecer los muones de alta radiacion y algunos neutrinos de forma indirecta La confirmacion de mas mesones y bariones primero en experimentos con alta radiacion y luego en aceleradores de particulas dieron la impresion de que nos enfrentabamos a un zoologico de particulas y fueron el impulso para buscar cada vez mas particulas elementales El esquema usado por Gell Mann para unir a las particulas era mediante su isospin y su extraneza Utilizo una unidad simetrica derivada del algebra actual que se la conoce como una aproximacion de la simetria quiral de la cromodinamica cuantica QCD Esta es una simetria global de sabor SU 3 que no debe confundirse con la simetria gaugeana de la cromodinamica cuantica aclaracion requerida En este esquema los mesones ligeros de espin 0 y los bariones espin 1 2 estaban agrupados juntos en octetos de simetria de sabor Una clasificacion de los bariones de espin 3 2 en una representacion 10 arrojo la prediccion de una nueva particula la W Su descubrimiento en 1964 llevo a la aceptacion de este modelo La representacion 3 que faltaba fue identificada como los quarks cita requerida El esquema fue llamado por Gell Mann como de ocho maneras eightfold way en ingles una inteligente asociacion de los octetos del modelo con los ocho caminos o maneras del budismo Descubrimiento experimental EditarArticulo principal Dispersion inelastica profunda A mediados de la decada de 1960 habia un cierto consenso en que el proton poseia un tamano aproximado de 10 15 m con una distribucion suave de carga en su interior Los analisis de ciertas propiedades de reacciones de altas energias de hadrones llevo a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones a los que el llamo partones porque eran parte de los hadrones 14 La serie de experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center SLAC entre 1967 y 1973 tenian como objetivo estudiar la dispersion electron proton y ver la distribucion de carga en el proton 15 Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Ernest Rutherford anos atras para confirmar la existencia del nucleo atomico El SLAC es un acelerador de particulas lineal donde particulas como los electrones pueden alcanzar energias de hasta 50 GeV lo suficiente para que estos puedan traspasar nucleones El analisis teorico de las colisiones inelasticas que tuvieran lugar entre el electron y el proton lo habia trabajado James Bjorken Este considero varias hipotesis para explicar la funcion de forma de la dispersion De todas ellas la mas especulativa era considerar al proton compuesto por particulas puntuales cargadas y con espin 1 2 displaystyle 1 2 Al analizar los datos para diferentes cantidades de momento transferidos al proton se comprobo que el ajuste de Bjorken con tal hipotesis era el adecuado 15 Se habian descubierto los quarks de manera experimental lo que permitio obtener el premio Nobel de Fisica de 1990 a Taylor Kendall y Friedmann lideres de los experimentos en el SLAC Mas adelante otros experimentos de colisiones inelasticas con neutrinos hechas en el CERN sirvieron para confirmar los resultados del SLAC Se confirmo que los partones de Feynmann y los quarks eran exactamente la misma cosa Con la prueba de la libertad asintotica en la cromodinamica cuantica que realizaron en 1973 David Gross Frank Wilczek y David Politzer la conexion se hizo estable A estos cientificos se les concedio el premio Nobel de Fisica en el 2004 por este trabajo Kendall dijo sobre el hallazgo el descubrimiento especifico fue un descubrimiento No sabiamos si estaria ahi y tampoco nadie en este mundo ni la gente que invento el quark ni toda la comunidad teorica Nadie podia decir especifica y univocamente hey amigos vayan por el quark Esperamos que este en los nucleones 15 Diferentes quarks EditarEn 1967 se creia que solo existian el quark arriba abajo y extrano En 1970 Sheldon Glashow John Iliopoulos y Luciano Maianicon postularon la existencia del quark encantado para impedir cambios no fisicos de sabor en las desintegraciones debiles que podrian aparecer en el modelo estandar El descubrimiento del meson J ps en 1974 llevo al reconocimiento de que este estaba hecho de un quark encantado y su antiquark 16 Luego se planteo la hipotesis del quinto y sexto quark llamados quark cima y fondo La existencia de una tercera generacion de quarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1972 17 ellos se dieron cuenta de que la violacion de la simetria CP por kaones neutros no podria acomodarse en el modelo estandar con las dos generaciones hasta ese momento existentes de quarks El quark fondo fue descubierto en 1977 y el quark cima en 1995 18 19 Etimologia EditarLa palabra fue originalmente designada por Murray Gell Mann como una palabra sin sentido que rimaba con pork 20 pero sin ortografia 21 Despues el encontro la palabra quark en un libro de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahi se uso su ortografia Three quarks for Muster Mark Sure he has not got much of a bark And sure any he has it s all beside the mark Del libro Finnegans Wake de James Joyce Gell Mann dijo sobre esto que 22 En 1963 cuando asigne el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones yo tenia el primer sonido sin ortografia que podria haber sido kwork Luego en uno de sus ocasionales lecturas de Finnegans Wake por James Joyce me cruce con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark Entonces quark que significa por un lado el grito de la gaviota fue el claro intento de rimar con Mark como con bark y otras palabras parecidas Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla asi como kwork Pero el libro representa el sueno de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker Las palabras en el texto suelen proceder de varias fuentes a la vez como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass De vez en cuando las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar Yo argumente por lo tanto que uno de los multiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podria ser Three quarts for Mister Mark en ese caso la pronunciacion de kwork podria justificarse totalmente En cualquier caso el numero tres encajaba a la perfeccion en el modo en que los quarks aparecen en la naturaleza La frase tres cuarks three quarks en ingles encajaba particularmente bien como se menciona en la cita ya que en ese tiempo solo habia 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 tambien un juego de palabras entre Munster y su capital provincial Cork Generacion EditarArticulo principal Generacion fisica de particulas Articulo principal Modelo Estandar El modelo estandar es un modelo teorico que describe todas las particulas elementales conocidas hasta ahora asi como el ya descubierto boson de Higgs Este modelo agrupa las particulas en generaciones de dos leptones y dos quarks Entre ellas varia la masa que va aumentando de acuerdo al numero de la generacion siendo la tercera la mas pesada hasta el momento El modelo estandar predice las tres generaciones de quarks y leptones que conocemos pero no podria descartarse del todo la posibilidad de una cuarta generacion Este modelo contiene seis sabores de quarks q divididos en tres generaciones En la primera tenemos los quarks arriba u y abajo d En la segunda los quarks encantado c y extrano s Y en la tercera los quarks fondo b y cima t Las Antiparticulas de los quarks son los antiquarks y son denotados por una barra sobre el simbolo del correspondiente quark por ejemplo si un quark se representa u displaystyle mathrm u un antiquark se escribe u displaystyle bar mathrm u Asi como con la antimateria en general los antiquarks tienen la misma masa vida media y espin que sus respectivos quarks pero con carga opuesta Propiedades EditarLos 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 quark y un antiquark piones kaones Bariones fermiones formados por tres o cinco 8 quarks y o antiquarks protones neutrones Existen seis tipos de cuarks cada uno con su sabor su carga su isospin debil y su masa entre las propiedades mas importantes Una lista de estas propiedades para cada cuark seria 23 24 Nombre Simbolo Generacion Isospin debil Sabor Carga Masa MeV c2 Quark levogiro Quark dextrogiro Proyeccion del isospin Encanto charmness Extraneza strangeness Superioridad topness Inferioridad bottomness arriba up u 1 0 0 0 0 0 1 5abajo down d 1 0 0 0 0 0 4 0encanto charm c 2 0 0 1 0 0 0 1150 1350extrano strange s 2 0 0 0 1 0 0 80 130cima top t 3 0 0 0 0 1 0 170900 1800fondo bottom b 3 0 0 0 0 0 1 4100 4400Junto a los leptones los quarks forman practicamente toda la materia de la que estamos rodeados En concreto la constituyen los dos primeros quarks ya que forman los protones y neutrones que a su vez forman los nucleos atomicos Carga Editar Vease tambien Carga electrica La carga o de la carga elemental Por esto siempre las particulas compuestas bariones y mesones tienen una carga entera Experimentalmente por ejemplo en el experimento de la gota de aceite de Millikan no hay informacion de cargas fraccionarias de particulas aisladas La tercera parte de la carga en los hadrones es debida a la presencia de los quarks Actualmente se desconoce por que la suma de las cargas de los quarks en un proton se corresponde exactamente a la del electron un lepton con signo opuesto Masa Editar Aunque si bien se habla de la masa de los quarks en el mismo sentido que la masa de cualquier otra particula la nocion de masa para un quark es complicada por el hecho que los quarks no pueden encontrarse solos en la naturaleza por lo general se encuentran acompanados de un gluon cita requerida Por consiguiente la nocion de la masa de un quark es una construccion teorica que tiene sentido solo cuando se especifica exactamente que se usara cita requerida La simetria quiral aproximada de la cromodinamica cuantica por ejemplo permite definir la razon entre varias masas de quarks a traves de combinaciones de las masas de los octetos pseudoescalares de los mesones en el modelo de quarks por la teoria de perturbacion quiral asi cita requerida m u m d 0 56 y m s m d 20 1 displaystyle frac m u m d 0 56 qquad rm y qquad frac m s m d 20 1 El hecho de que el quark arriba tenga masa es importante porque habia un problema con la violacion CP si estos no tenian masa Los valores absolutos de las masas son determinados por las reglas de suma de funciones espectrales o tambien las reglas de suma de la cromodinamica cuantica cita requerida Otro metodo para especificar las masas de los quarks fue usada por Murray Gell Mann y Kazuhiko Nishijima en el modelo de quarks que conectaba la masa del hadron con la masa de los quarks Estas masas llamadas masas constituyentes de quarks son considerablemente diferentes de las masas definidas anteriormente Las masas constituyentes no tienen ningun significado dinamico posterior cita requerida Por otro lado las masas de los quarks mas masivos el encantado y el fondo se obtuvieron de las masas de los hadrones que contenian un quark pesado y un antiquark ligero o dos quarks ligeros y del analisis de quarkonios Los calculos del enrejado de la cromodinamica cuantica usando una teoria efectiva de quarks pesados o cronodinamica cuantica no relativista se usan ahora para determinar la masa de esos quarks cita requerida El quark cima es lo suficientemente pesado para que la perturbacion de la QCD pueda usarse para determinar su masa Antes de su descubrimiento en 1995 la mejor teoria estimaba que la masa del quark cima podia obtenerse del analisis global de test de precision del modelo estandar El quark cima sin embargo tiene la unica cantidad de quarks que se desintegran antes de hadronizarse Entonces la masa puede medirse directamente a partir de los productos desintegrados resultantes Estos solo pueden hacerse en el tevatron que es el unico acelerador de particulas con la suficiente energia para producir quarks cima en abundancia cita requerida Isospin debil Editar Articulo principal Isospin debil El valor de esta propiedad para los quarks es de 1 2 y su signo depende de que tipo de quark es Para los quarks tipo u u c y t es de 1 2 mientras que para los otros llamados quarks tipo d d s b es de 1 2 De acuerdo con el isospin debil un quark tipo u debera desintegrarse para obtener un quark tipo d y viceversa No se admiten desintegraciones entre quarks del mismo tipo Las particulas que permiten estos cambios de carga del isospin debil son los bosones W y Z Sabor Editar Articulo principal Sabor fisica Diferencia entre fermiones y bosones Debido a la interaccion debil todos los fermiones y en este caso los quarks pueden cambiar de tipo a este cambio se le denomina sabor 25 Los bosones W y Z son los que permiten el cambio de sabor en los quarks estos bosones son los causantes de la interaccion debil Cada quark tiene un sabor diferente que interactuara con los bosones de una manera unica El sabor de los quarks arriba y abajo es el isospin debil antes mencionado El quark extrano tendra un numero cuantico o sabor homonimo llamado extraneza y tiene el valor de 1 Para el quark encantado es encantado y tiene el valor de 1 y asi sucesivamente con los otros dos como pico se puede ver en la tabla anterior Carga de color Editar Articulo principal Carga de color Los quarks al ser fermiones deben seguir el principio de exclusion de Pauli Este principio implica que los tres quarks en un barion deben estar en una combinacion antisimetrica Sin embargo la carga Q 2 del barion D que es un cuarto del isospin Iz 3 2 de los bariones puede ser realizado solo por quarks con espin paralelo Esta configuracion es simetrica bajo intercambio de quarks esto implica que existe otro numero cuantico interno para que pueda hacerse esa combinacion antisimetrica A esta propiedad o numero cuantico se le denomino color El color no tiene nada que ver con la percepcion de la frecuencia de la luz por el contrario el color es la carga envuelta en la teoria de gauge mas conocida como cromodinamica cuantica cita requerida El color es una simetria de gauge SU 3 Los quarks estan localizados en la representacion fundamental 3 y por lo tanto tienen tres colores en analogia con los tres colores fundamentales rojo verde y azul y de ahi viene su nombre Es por eso que se suele decir que existen 18 tipos de quarks 6 con sabor y cada uno con 3 colores cita requerida Subestructura EditarArticulo principal Preon Nuevas extensiones del modelo estandar de fisica de particulas indican que los cuarks podrian estar compuestos de subestructuras Esto asume que las particulas elementales del modelo estandar de fisica de particulas son particulas compuestas estas hipotesis estan siendo evaluadas aunque actualmente no se ha descubierto tal estructura Las llamadas subestructuras de los cuarks se denominan preones Vease tambien Editarconfinamiento del color fisica de particulas fuerzas fundamentales Murray Gell Mann Leon Max Lederman preon modelo estandar de fisica de particulasNotas Editar Real Academia Espanola y Asociacion de Academias de la Lengua Espanola cuark Diccionario de la lengua espanola 23 ª edicion Consultado el 8 de agosto de 2017 con el fin de preservar la coherencia y simplicidad de nuestro sistema ortografico se recomienda que todos aquellos prestamos de otras lenguas sean latinismos o extranjerismos cuya grafia etimologica incluya una q con valor fonico independiente se adapten por completo al espanol sustituyendo dicha q por las grafias hoy asentadas en nuestra lengua para representar el fonema k Esto supone pasar a escribir cuark cuasar cuorum o execuatur y no quark quasar quorum o exequatur y emplear la hispanizacion cuadrivio en lugar del latinismo semiadaptado quadrivium En caso de mantener la q etimologica estas voces deben considerarse extranjerismos o latinismos no adaptados y escribirse por ello en cursiva y sin tildes quadrivium quark quasar quorum o exequatur Citado en RAE y ASALE 2010 6 2 2 2 2 Uso de la letra q para representar el fonema k Ortografia de la lengua espanola Madrid Espasa Calpe ISBN 978 6 070 70653 0 Consultado el 8 de agosto de 2017 Real Academia Espanola y Asociacion de Academias de la Lengua Espanola quark Diccionario de la lengua espanola 23 ª edicion Consultado el 8 de agosto de 2017 en los casos de quark quasar quorum y exequatur todas ellas incorporadas al lexico del espanol aunque de empleo restringido a ciertos ambitos como el cientifico o el juridico diplomatico se aconseja acomodarlas completamente a la ortografia espanola escribiendo cuark cuasar cuorum y execuatur Citado en RAE y ASALE 2010 2 3 Grafias ajenas al sistema ortografico tradicional del espanol Ortografia de la lengua espanola Madrid Espasa Calpe p 615 ISBN 978 6 070 70653 0 Nota dominical Los tres primeros quarks y la historia de sus nombres http francis naukas com Consultado el 13 de febrero de 2017 Nota dominical El nombre de los quarks de tercera generacion http francis naukas com Consultado el 13 de febrero de 2017 C Patrignani et al Particle Data Group Free Quark Searches PDF http pdg lbl gov en ingles Consultado el 18 de octubre de 2016 A central but unproven hypothesis of this theory Quantum Chromodynamics is that quarks cannot be observed as free particles but are confined to mesons and baryons a b collaboration LHCb R Aaij B Adeva M Adinolfi A Affolder Z Ajaltouni S Akar J Albrecht et al 13 de julio de 2015 Observation of J psi p resonances consistent with pentaquark states in Lambda b 0 to J psi K p decays arxiv org doi 10 1103 PhysRevLett 115 072001 Consultado el 15 de octubre de 2016 The prospect of hadrons with more than the minimal quark content was proposed by Gell Mann in 1964 1 and Zweig followed by a quantitative model for two quarks plus two antiquarks developed by Jaffe in 1976 The idea was expanded upon to include baryons composed of four quarks plus one antiquark the name pentaquark was coined by Lipkin Se sugiere usar numero autores ayuda Moleculas Hadronicas Instituto de Fisica Corpuscular webific ific uv es Consultado el 15 de octubre de 2016 The SAPHIR Collaboration J Barth et al Evidence for the positive strangeness pentaquark en ingles Consultado el 8 de enero de 2008 Sonia Kabana Review of the experimental evidence on pentaquarks and critical discussion en ingles Consultado el 8 de enero de 2008 Paul Rincon Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle en ingles Consultado el 14 de julio de 2015 Quarks Consultado el 8 de enero de 2008 SLAC en ingles Archivado desde el original el 21 de abril de 2008 Consultado el 8 de enero de 2008 a b c Premio Nobel por la primera evidencia de un quark Mesons en ingles Consultado el 8 de enero de 2008 The science of matter space and time Consultado el 22 de febrero de 2017 Observation of Top Quark Production in pp Collisions with the Collider Detector at Fermilab El extrano comportamiento del quark cima Gribbin John Richard Feynman A Life in Science Dutton 1997 p 194 Proveniencia de la palabra quark Gell Mann Murray 1995 ELQUARKY EL JAGUAR Barcelona Tusquet 84 7223 844 X Summary of Top Mass Results March 2007 Consultado el 8 de enero de 2008 La masa de los quarks en ingles Consultado el 8 de enero de 2008 Interaccion debil Consultado el 8 de enero de 2008 Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una galeria multimedia sobre Quark Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre quark FisicaRecreativa net Que es un quark por Isaac Asimov Pdg lbl gov Particle Data Group pagina sobre datos de particulas en ingles Physics ox ac uk pagina muy ilustrativa de la Universidad de Oxford sobre el proton en ingles Datos Q6718 Multimedia QuarksObtenido de https es wikipedia org w index php title Quark amp oldid 138260028, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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