Tipos de quarks

Descubrimiento del quark

Todo lo que ves, y lo que no ves, está compuesto por un conjunto de átomos. Hace mucho tiempo se creía que el átomo era indivisible; es decir, que no había nada más pequeño que esa unidad de materia. Ahora sabemos que un átomo está compuesto por un núcleo (donde están los protones y neutrones) y una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo. Pues estos protones y neutrones son partículas subatómicas formadas por quarks.

La existencia de los quarks fue propuesta por Murray Gell-Mann y George Zweig, en 1964, para explicar los resultados que se obtenían después de colisionar partículas. Su grupo de investigación describía que las partículas subatómicas que formaban al átomo estaban compuestas por combinaciones de partículas más fundamentales, llamadas quarks.

El modelo de Gell-Mann-Zweig incluía tres tipos de quarks: up, down y strange. Después de esto, Sheldon Glashow y James Bjorken descubrieron un cuarto tipo de quark, al que llamaron charm. Este nuevo tipo tuvo gran relevancia en los procesos que involucran a la interacción débil. Finalmente, en 1975, Haim Harai fue el primero en sugerir la existencia de otros dos quarks: top y bottom.

¿Qué son los quarks?

Fig. 1: Ejemplo de un protón formado por dos quarks up (\(u\)) y un quark down (\(d\))

Los quarks nunca aparecen solos, sino siempre en grupos de dos o más. Estas partículas compuestas de quarks se conocen como hadrones. Los quarks se mantienen unidos debido a la interacción fuerte, y se clasifican en dos familias:

1. Bariones: hadrones formados por tres quarks.
2. Mesones: hadrones formados por una pareja quark-antiquark.

Propiedades de los quarks

Cada quark tiene una carga eléctrica, un número bariónico y un número extraño.

• El número de bariónico indica si se trata de una partícula o de una antipartícula.
• La carga eléctrica de los quarks es \( -1/3 \) o \( 2/3 \).
• El número de extrañeza indica la presencia de un quark strange.

En la siguiente tabla se muestran los diferentes tipos de quarks y sus propiedades.

Tabla 1: tipos y propiedades de los quarks.

Por cada quark de esta tabla hay un antiquark. Los antiquarks poseen la carga, el número de bariones y el número extraño opuesto, pero la misma masa.

Carga de los hadrones

Tanto los protones como los neutrones están formados por tres quarks, cuyo símbolo es qqq. La combinación de quarks up y down indica de qué tipo de partícula se trata. Para saber qué partícula forma un quark, hay que sumar tres quarks de forma que se obtenga una carga fundamental de 1 para un protón o de 0 para un neutrón.

Veámoslo en los siguientes ejemplos.

Hadrones pión y kaón positivos

Los quarks pueden combinarse con un antiquark, creando un par materia-antimateria. Este es el caso de los hadrones pión y kaón positivos.

• Pión positivo: combinación de un quark up que tiene una carga de \(+ 1/3\) y un quark antidown con una carga de \(+ 1/3\). Por tanto, llega a una carga total de 1.
• Kaón positivo: combinación de un quark up que tiene una carga de \(+ 2/3\) y un antiquark strange con una carga de \(+ 1/3\). Por tanto, alcanza una carga total de 1.

Los quarks pión y kaón positivos tienen un número barionico igual a 0, lo que indica que son una combinación de materia y antimateria.

Interacción nuclear fuerte

Sabemos que los quarks siempre se encuentran confinados en hadrones. La causa de esto es la interacción fuerte. La fuerza nuclear fuerte es la más fuerte fuerza fundamental. Pero, al igual que la interacción débil, la interacción fuerte tiene un alcance limitado para actuar. Así, aunque la interacción fuerte es más intensa, tiene alcances muy cortos: es cero a distancias superiores de \( 10^{-15}\) metros.

La partícula mediadora en esta interacción es el gluon. El intercambio de gluones permite que los protones y los neutrones se mantengan unidos en el núcleo, a pesar de la repulsión electromagnética.

Interacciones débiles

El proceso que convierte un neutrón en un protón se llama proceso de interacción débil. Existen cuatro procesos de interacción débil. Las enumeraremos y ejemplificaremos, a continuación:

1. Desintegración beta negativa: un neutrón se convierte en protón y libera un electrón y un antineutrino: \[ {}^{1}_{0} n \rightarrow {}^{1}_{1} p + {}^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e + \bar{v_{\varepsilon}} \]
2. Desintegración beta positiva: un protón se convierte en un neutrón y libera un positrón y un neutrino: \[ {}^{1}_{1} p \rightarrow {}^{1}_{0} n + {}^{0}_{1}e + v_{\varepsilon} \]

3. Captura de electrones: un núcleo atómico captura un electrón, y el protón lo absorbe. Esta reacción libera un neutrón y un neutrino: \[ ^1_1p+^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e \rightarrow ^1_0n +v_{\varepsilon}\].

4. Colisión de protones y electrones: un protón colisiona con un electrón, cuya reacción libera un neutrón y un neutrino: \[ ^1_1p+^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e \rightarrow ^1_0n +v_{\varepsilon}\].

En los cuatro procesos, una partícula bosón \(W_+ \) o \(W_- \) actúa como portadora de la energía.

Desintegración beta

Si un núcleo tiene demasiados neutrones o protones, puede comenzar un proceso llamado desintegración beta. Como acabamos de ver, la desintegración beta transforma un protón en un neutrón (beta positiva) o un neutrón en un protón (beta negativa).

• En el caso de la conversión de un neutrón en un protón, un quark down debe convertirse en un quark up. Esta conversión incluye la liberación de un electrón —que se lleva la carga negativa— y un antineutrino: \[ {}^{1}_{0} n \rightarrow {}^{1}_{1} p + {}^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e + \bar{v_{\varepsilon}} \]. En la ecuación, se puede observar la conservación: Eel neutrón tiene un número de bariones de 1 en la esquina superior y 0 como carga fundamental en la esquina inferior.
• El resultado de la desintegración debe ser un protón con carga 1 y un electrón con carga -1. En este proceso se emite también un antineutrino: \[ \text{conservación de carga}= \text{carga del neutrón}=\text{carga del protón}+\text{carga del electrón}\].

El diagrama de Feynman y los quarks

El diagrama de Feynman es una forma de mostrar la interacción entre las partículas cuando emiten o absorben energía mientras crean otras partículas.

El diagrama de Feynman para este proceso es el siguiente: