Quarks

Los quarks y los leptones son los ladrillos con los que se construye la materia, es decir, que son vistos como las "part�culas elementales". En el modelo est�ndar de la actualidad, hay seis "sabores" de quarks. Ellos pueden explicar con �xito, todos los mesones y bariones (mas de 200). Los bariones m�s familiares son el prot�n y el neutr�n, cada uno de los cuales se construyen a partir de quarks up y down*. Se observa que las quarks se unen solamente, en combinaciones de dos (mesones), o tres (bariones). Se ha afirmado recientemente, la observaci�n de part�culas con cinco quarks (pentaquark), pero no ha sido confirmada por ninguna experimentaci�n adicional.

** Las masas no deben tomarse demasiado en serio, porque el confinamiento de los quarks implica que no se pueden aislarlos para medir sus masas de una manera directa. Las masas deben ser indirectamente impl�citas, a partir de experimentos de dispersi�n. Los n�meros de la tabla son muy diferentes de los n�meros anteriormente citados, y se basan en un res�men del n�mero de julio de 2010, de la Revista de F�sica de Part�culas, Journal of Physics G, Particle Data Group. Se puede encontrar un resumen en el sitio LBL. Estas masas representan una fuerte diferencia de los enfoques anteriores, que trataban a las masas de los quarks U y D, como aproximadamente 1/3 de la masa de un prot�n, ya que en el modelo, el prot�n tiene tres quarks. Las masas indicadas son dependientes del modelo, y la masa del quark bottom es citada por dos modelos diferentes. Pero en otras combinaciones, contribuyen con masas diferentes. Para producir el pi�n, una part�cula de s�lo 139,6 MeV de energ�a de masa, contribuyen un quark up y un quark anti-down, mientras que en el mes�n vectorial rho, �la misma combinaci�n de quarks, tiene una masa de 770 MeV!. Las masas de C y S son de Serway, y las masas de T y B son de las descripciones de los experimentos en los cuales fueron descubiertos.

Cada uno de los seis "sabores" de quarks, puede tener tres "colores" diferentes. Las fuerzas de los quarks son atractivas s�lo en combinaciones "incoloras" de tres quarks (bariones), en combinaciones de pares quark-antiquark (mesones), y posiblemente en combinaciones m�s grandes, como el pentaquark, que tambi�n podr�a cumplir la condici�n de incoloro. Los quarks sufren transformaciones por el intercambio de los bosones W, y esas transformaciones determinan el ritmo y la naturaleza del decaimiento de los hadrones por la interacci�n d�bil.

�Por Qu� "Quark"?

El nombre "quark" fue tomada por Murray Gell-Mann, del libro "Finnegan's Wake" de James Joyce. La l�nea de "Three quarks for Muster Mark ..." aparece en ese libro de fantas�a. Gell-Mann recibi� el Premio Nobel en 1969, por su trabajo en la clasificaci�n de las part�culas elementales.

Los Quarks Up y Down

Los quarks up y down, son los quarks m�s comunes y menos masivos, siendo los constituyentes de los protones y los neutrones, y por lo tanto de la mayor�a de la materia ordinaria.

El hecho de que el neutr�n libre decaiga y el decaimiento de los n�cleos por el decaimiento beta en procesos como se piensa que son el resultado de un proceso de quark m�s fundamental

El Quark Strange

En 1947, durante un estudio de las interacciones de rayos c�smicos, se encontr� que el producto de la colisi�n de un prot�n con un n�cleo, vivi� mucho m�s tiempo de lo esperado: �10^-10 segundos, en vez del esperado de 10^-23 segundos!. Esta part�cula fue llamada part�cula lambda (Λ⁰) y la propiedad que la hizo vivir tanto tiempo fue llamada "strangeness" (extra�eza en espa�ol), y ese nombre se qued� como uno de los quarks, a partir del cual se construye la part�cula lambda. La part�cula lambda es un bari�n compuesto de tres quarks: uno up, uno down y uno strange.

Se esperaba una vida �til m�s corta de 10^-23 segundos, debido a que la part�cula lambda como bari�n, participa en la interacci�n fuerte, que por lo general conduce a tales vidas cortas. El largo tiempo de vida observado, ayud� a desarrollar una nueva ley de conservaci�n para tales decaimientos, llamada "conservaci�n de la extra�eza". La presencia de un quark strange en una part�cula es denotado por el n�mero cu�ntico S=-1. El decaimiento de part�culas por las interacciones fuertes o electromagn�ticas, conserva el n�mero cu�ntico de extra�eza. El proceso de decaimiento de la part�cula lambda debe violar esta regla, ya que no hay part�cula m�s ligera que contenga un quark strange, -por lo que en el proceso el quark strange debe ser transformado a otro tipo de quark-. Eso s�lo puede ocurrir por la interacci�n d�bil, y eso conduce a una vida mucho m�s larga. Los procesos de decaimientos muestran que la extra�eza no se conserva:

La transformaci�n de quark necesaria para lograr estos procesos de decaimiento, se pueden visualizar con la ayuda de los diagramas de Feynmann.

En la descripci�n de las part�culas, el omega-menos, un bari�n compuesto de tres quarks strange, es un ejemplo cl�sico de la necesidad de la propiedad llamada "color". Como los quarks son fermiones con esp�n 1/2, deben obedecer el principio de exclusi�n de Pauli y no pueden existir en estados id�nticos. De modo que con tres quarks strange, la propiedad que los distingue, debe ser capaz de tener al menos tres valores distintos.

De hecho la conservation de la extra�eza, no es una ley de conservaci�n independiente, sino que puede verse como una combinaci�n de la conservaci�n de la carga, isosp�n, y el n�mero bari�nico. A menudo se expresa en t�rminos de hipercarga Y, definida por:

El isosp�n y tanto la hipercarga o la extra�eza, son n�meros cu�nticos utilizados a menudo para dibujar diagramas de part�culas de los hadrones.

El Quark Charm

En 1974, se descubri� un mes�n llamado part�cula J/Psi. Con una masa de 3100 MeV, m�s de tres veces la del prot�n, esta part�cula fue el primer ejemplo de otro quark, llamado quark charm (encanto). La part�cula J/Psi se compone de un par de quarks charm-anticharm. Richter y Ting compartieron el Premio Nobel de 1976 por su descubrimiento.

El m�s ligero de los mesones que contiene un quark charm es el mes�n D. Proporciona ejemplos interesantes de decaimientos, ya que para que tenga lugar el decaimiento, el quark charm debe transformarse en un quark strange por medio de la interacci�n d�bil.

Uno de los bariones con un quark charm es la llamada part�cula lambda, con s�mbolo Λ⁺_c . Tiene una composici�n de quarks udc, y una masa de 2281 MeV/c².

El Quark Top

En abril de 1995, se inform� de una evidencia convincente de la observaci�n del quark top, en las instalaciones Tevatron del Fermilab. La evidencia se encontr� en los productos de la colisi�n de protones de 0,9 TeV con antiprotones igualmente energ�ticos, en el colisionador prot�n-antiprot�n. La prueba incluy� an�lisis de trillones de colisiones de prot�n-antiprot�n de 1,8 TeV. El grupo de la Instalaci�n de Detector Colisionador, hab�a encontrado 56 candidatos "top", por encima de una previsi�n de 23, y el grupo D0, encontr� 17 eventos por encima de la previsi�n de 3,8. El valor de la masa del quark top partir de los datos combinados de los dos grupos, una vez ejecutada la prueba fu� de 174,3 +/- 5,1 GeV. Esto es m�s de 180 veces la masa de un prot�n y aproximadamente el doble de la siguiente masa m�s pesada de part�cula fundamental, el bos�n vectorial Z0 de aproximadamente 93 GeV.

La interacci�n se visualiza de la siguiente manera:

El Confinamiento de los Quarks

�C�mo se puede confiar en el modelo de quarks, cuando nadie ha visto nunca un quark aislado?. Hay buenas razones para la falta de observaci�n directa. Al parecer, la fuerza de color no disminuye con la distancia al igual que las otras fuerzas observadas. Se postula que en realidad puede aumentar con la distancia, a un ritmo de aproximadamente 1 GeV por Fermi. Un quark libre no se observa porque en el momento que la separaci�n est� a una escala observable, la energ�a est� muy por encima de la energ�a de producci�n del par quark-antiquark. Para los quarks u y d, las masas son decenas de MeV, por lo que la producci�n del par se producir�a a distancias mucho menor de un fermi. En los experimentos de colisiones de muy alta energ�a, se esperar�a una gran cantidad de mesones (pares de quark-antiquark), y eso es lo que se observa.

B�sicamente, no se puede ver un quark aislado porque la fuerza de color no los deja ir, y la energ�a necesaria para separarlo produce pares quark-antiquark mucho antes de estar lo suficientemente separados para observarlos aisladamente.

Un tipo de visualizaci�n de confinamiento de quarks es el llamado "modelo de bolsa". Se visualizan los quarks como contenidos en una bolsa el�stica que permite a los quarks moverse libremente por toda ella, siempre y cuando no se trate de tirar para separarlos. Si se intenta tirar de un punto del quark, la bolsa se estira y resiste.

Otra forma de ver el confinamiento de quarks es expresada por Rohlf. "Cuando se trata de tirar para separar un quark de un prot�n, por ejemplo al golpear el quark con otra part�cula energ�tica, el quark experimenta una barrera de energ�a potencial de la interacci�n fuerte, que aumenta con la distancia." Como demuestra el ejemplo de la desintegraci�n alfa, el tener una barrera m�s alta que la energ�a de la part�cula, no impide que escape de la part�cula -el efecto t�nel de la mec�nica cu�ntica da una probabilidad finita, para que una part�cula alfa de 6 MeV, pase a trav�s de una barrera de mayor energ�a de 30 MeV-. La barrera de energ�a para la part�cula alfa, es lo suficientemente delgada para que sea efectivo el efecto t�nel. En el caso de la barrera frente al quark, la barrera de energ�a no disminuye con la distancia, sino que en realidad aumenta.

El Quark Bottom

En 1977, un grupo experimental del Fermilab dirigido por Leon Lederman, descubri� una nueva resonancia a 9,4 GeV/c², que fue interpretado como un par quark bottom-antibottom (inferior-antinferior), y lo llam� mes�n upsilon. A partir de este experimento, la masa implicada para el quark bottom es aproximadamente de 5 GeV/c². La reacci�n en estudio era

donde N es un n�cleo de cobre o platino. El espectr�metro ten�a una resoluci�n de masa del par-mu�n de un 2%, lo que les permiti� medir un exceso de eventos a 9,4 GeV/c². Esta resonancia se ha estudiado posteriormente en otros aceleradores, con una investigaci�n detallada de los estados ligados del mes�n bottom-antibottom.