ROLscience: partículas elementales

Datos y curiosidades sobre los cuarks

Los cuarks son partículas elementales que constituyen uno de los componentes fundamentales de la materia. Se cree que son los bloques de construcción más pequeños de los hadrones, como los protones y los neutrones. Los cuarks tienen propiedades como la carga de color, asociada con la interacción fuerte, y existen en seis tipos diferentes: arriba, abajo, encanto, extraño, superior e inferior. La teoría que describe la interacción fuerte entre los cuarks y los gluones se llama cromodinámica cuántica (QCD). Los cuarks son producidos en colisionadores de partículas de alta energía, y su estudio ha proporcionado una comprensión más profunda de la estructura y la naturaleza del universo a nivel subatómico.

El quark bottom

El quark bottom (fondo), o quark b, es un quark de tercera generación con una carga de: 1/3e.

Todos los quarks se describen de forma similar mediante cromodinámica cuántica y electrodébil, pero el quark bottom tiene tasas de transición excepcionalmente bajas a quarks de menor masa. El quark bottom también es notable porque es un producto de casi todas las desintegraciones de quark top y es un producto de desintegración frecuente del bosón de Higgs.

El quark top

El quark top, a veces también denominado quark cima, (símbolo: t) es el más masivo de todas las partículas elementales observadas. Deriva su masa de su acoplamiento al bosón de Higgs. Este acoplamiento yt, está muy cerca de la unidad; en el modelo estándar de física de partículas, es el acoplamiento más grande (más fuerte) en la escala de interacciones débiles y superiores. El quark top fue descubierto en 1995 por los experimentos CDF y DØ en Fermilab.

Como todos los demás quarks, el quark top es un fermión con spin 1/2 y participa en las cuatro interacciones fundamentales: gravitación, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. Tiene una carga eléctrica de +2/3e. Tiene una masa de 172,76 ± 0,3 GeV/c^2 , que está cerca de la masa del átomo de renio. La antipartícula del quark top es el antiquark top (símbolo: t, a veces llamado quark antitop o simplemente antitop), que se diferencia de él solo en que algunas de sus propiedades tienen la misma magnitud pero signo opuesto.

El quark strange

El quark strange (extraño) o quark s (de su símbolo, s) es el tercer quarks más ligero, y es un tipo de partícula elemental. Los quarks stranges se encuentran en partículas subatómicas llamadas hadrones. Ejemplos de hadrones que contienen quarks stranges incluyen kaones (K), mesones D stranges (Ds), Bariones Sigma (Σ) y otras partículas stranges.

Junto con el quark charm, forma parte de la segunda generación de materia. Tiene una carga eléctrica de -1/3e y una masa desnuda de 95 (-3+9) MeV/c^2. Como todos los quarks, el quark extraño es un fermión elemental con spin 1/2, y experimenta las cuatro interacciones fundamentales: gravitación, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. La antipartícula del quark strange es el antiquark strange (a veces llamado quark antistrange o simplemente antistrange), que se diferencia de él solo en que algunas de sus propiedades tienen igual magnitud pero signo opuesto.

El quark charm

El quark charm, el quark encanto o el quark c (de su símbolo, c) es el tercer quarks más masivo, es un tipo de partícula elemental. Los quarks charms se encuentran en los hadrones, que son partículas subatómicas hechas de quarks. Ejemplos de hadrones que contienen quarks charms incluyen el mesón J/ψ (J/ψ), Mesones D (D), bariones Sigma encantados (Σ
C) y otras partículas encantadas.

Este, junto con el quark strange, es parte de la segunda generación de materia y tiene una carga eléctrica de +2/3e y una masa desnuda de 1,275 (-0,035+0,025) GeV/c^2. Como todos los quarks, el quark charm es un fermión elemental con spin 1/2, y experimenta las cuatro interacciones fundamentales: gravitación, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. La antipartícula del quark charm es el antiquark charm (a veces llamado quark anticharm o simplemente anticharm), que se diferencia de él solo en que algunas de sus propiedades tienen la misma magnitud pero de signo opuesto.

El quark down

El quark down (abajo) o quark d (símbolo: d), es el segundo quark más ligero de todos quarks, es un tipo de partícula elemental, y un constituyente principal de la materia. Junto con el quark up, forma los neutrones (un quark up, dos quarks down) y protones (dos quarks up, uno down quark) de los núcleos atómicos.

Es parte de la primera generación de materia, tiene una carga eléctrica de -1/3e y una masa desnuda de 4,7 (-0,3 +0,5) MeV/c^2. Como todos los quarks, el quark down es un fermión elemental con spin 1/2, y experimenta las cuatro interacciones fundamentales: gravitación, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. La antipartícula del quark down es el antiquark down (a veces llamado quark antidown o simplemente antidown), que se diferencia de él solo en que algunas de sus propiedades, tienen la misma magnitud pero signo opuesto. Su existencia (junto con la de los quarks up y strange) fue postulada en 1964 por Murray Gell-Mann y George Zweig para explicar el esquema de clasificación de los hadrones por ocho maneras. El quark down se observó por primera vez mediante experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center en 1968.

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El quark up

El quark up (arriba) o quark u (símbolo: u) es el más ligero de todos los quarks, un tipo de partícula elemental y un constituyente principal de la materia. Este, junto con el quark down, forma los neutrones (un quark up, dos quarks down) y protones (dos quarks up, uno down quark) de los núcleos atómicos.

Forma parte de la primera generación de materia, tiene una carga eléctrica de +2/3e y una masa desnuda de 2,2 (-0,4 +0,5) MeV/c^2. Como todos los quarks, el quark up es un fermión elemental con spin 1/2, y experimenta las cuatro interacciones fundamentales: gravitación, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. La antipartícula del quark up es el antiquark up (a veces llamado antiquark antiup o simplemente antiup), que se diferencia de él solo en que algunas de sus propiedades, como la carga, tienen la misma magnitud pero signo opuesto.

Modelo de quarks

El modelo de quarks es un esquema de clasificación de los hadrones en términos de sus quarks de valencia. Los quarks y antiquarks dan lugar a los números cuánticos de los hadrones. El modelo de quark subyace en el "sabor SU" , o el Eightfold Way, el exitoso esquema de clasificación que organiza la gran cantidad de hadrones más ligeros, que se estaban descubriendo a partir de la década de 1950 y continuando durante la década de 1960.

Recibió verificación experimental a finales de la década de 1960, y es una clasificación efectiva válida hasta la fecha. El modelo fue propuesto de forma independiente por el físico Murray Gell-Mann, quien los llamó "quarks" en un artículo conciso, y George Zweig, quien sugirió "aces" en un manuscrito más largo. André Petermann también se refirió a las ideas centrales de 1963 a 1965, sin tanta sustanciación cuantitativa. Hoy en día, el modelo ha sido esencialmente absorbido por un componente de la teoría de campo cuántico establecida de interacciones de partículas fuertes y electrodébiles, denominado Modelo Estándar.

El color de los quarks

La interpretación de los quarks como entidades físicas reales planteó inicialmente dos problemas importantes. Primero, los quarks tenían que tener un valor de 1/2 de giro (momento angular intrínseco) para que el modelo funcione, pero al mismo tiempo parecían violar el Principio de exclusión de Pauli, que gobierna el comportamiento de todas las partículas (llamadas fermiones) que tienen espín 1/2 impar. En muchas de las configuraciones de bariones construidas a partir de quarks, a veces dos o incluso tres quarks idénticos tenían que establecerse en el mismo estado cuántico, una disposición prohibida por el principio de exclusión. En segundo lugar, los quarks parecían desafiar ser liberados de las partículas que formaban. Aunque las fuerzas que ataban a los quarks eran fuertes, parecía improbable que fueran lo suficientemente poderosos como para resistir el bombardeo de los haces de partículas de alta energía de los aceleradores.

Los quarks

Los quarks, son cualquier miembro de un grupo de partículas subatómicas elementales, que interactúan por medio de la fuerza fuerte, y se cree que se encuentran entre los constituyentes fundamentales de la materia. Los quarks se asocian entre sí a través de la fuerza fuerte para compensar protones y neutrones, de la misma manera que las últimas partículas se combinan en diversas proporciones para formar núcleos atómicos.

Hay seis tipos, o sabores, de quarks que se diferencian entre sí en sus características de masa y carga. Estos seis sabores de quark se pueden agrupar en tres pares: arriba (up) y abajo (down), encanto (charm) y extraño (strange), y cima (top) y fondo (botton). Los quarks parecen ser verdaderas partículas elementales, es decir, no tienen una estructura aparente y no pueden dividirse en algo más pequeño.

Simetría CP

En general, la simetría de un sistema de mecánica cuántica se puede restaurar si se puede encontrar otra simetría aproximada S tal que la simetría combinada PS permanezca intacta. Este punto bastante sutil acerca de la estructura del espacio de Hilbert, se realizó poco después del descubrimiento de la violación de P, y se propuso que la conjugación de carga, C, que transforma una partícula en su antipartícula, era la simetría adecuada para restaurar el orden.

Simetría CPT

Se puede justificar, teóricamente, que todas las interacciones entre partículas elementales deben ser invariantes bajo la acción conjunta de conjugación de carga (C), paridad (P) e inversión temporal (T). Es lo que se conoce con el nombre de invariancia CPT, que puede considerarse como una ley de conservación absoluta.

La implicación de la simetría CPT es que una "imagen especular" de nuestro universo, con todos los objetos con sus posiciones reflejadas a través de un punto arbitrario (correspondiente a una inversión de paridad), todos los momentos invertidos (correspondientes a una inversión de tiempo) y con toda la materia, reemplazado por antimateria (correspondiente a una inversión de carga), evolucionaría exactamente bajo nuestras leyes físicas. La transformación CPT convierte nuestro universo en su "imagen especular" y viceversa. Se reconoce que la simetría CPT es una propiedad fundamental de las leyes físicas.

La conjugación de carga (C)

La conjugación de carga, es una operación que reemplaza partículas en antipartículas (y viceversa), con ecuaciones que describen las partículas subatómicas. El nombre de conjugación de carga surge porque una partícula dada y su antipartícula generalmente llevan carga eléctrica opuesta. El electrón positivo, o el positrón, por ejemplo, es la antipartícula del electrón negativo.

El parámetro carga-conjugación-simetría-ruptura φ mueve en energía un estado de intervalo medio hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de su signo. Las partes continuas del espectro de valores energéticos se indican mediante cuadros sombreados. La delgada línea horizontal denota el centro de la banda alrededor del cual el espectro es simétrico cuando φ = 0.

Relación de Gell-Mann y Nishijima

Para todas las partículas con interacciones fuertes, incluyendo las resonancias, es válida la siguiente relación:

Q=I_3+(B+S)/2

Donde Q es su carga eléctrica (medida en unidades de |e|, I3 es la tercera componente de su isospín, B su número bariónico y S su extrañeza. La suma de B más S se denomina hipercarga (Y).

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Extrañeza

La producción asociada sugirió la conservación de un nuevo número cuántico llamado extrañeza. (S). Su valor para las partículas extrañas se da en la tabla de la imagen. De hecho, los valores de esta tabla proceden de haber fijado la extrañeza de Λ^0 como igual a -1, por convenio, y de haber utilizado diversas reacciones para determinar las demás.

Las partículas no extrañas, tales como p, n, π^±,π^0, etc., tienen extrañeza cero. Partículas y antipartículas tienen extrañezas opuestas.

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Número leptónico

El número total de leptones L (el número de leptones menos el número de antileptones) es constante. Además, parece que se cumple una ley de conservación para los leptones de cada tipo; el número de electrones y neutrinos, por ejemplo, se conserva por separado del número de muones y neutrinos. El límite actual de violación de esta ley de conservación es una parte por millón.

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