Casi todos estamos familiarizados con la palabra “átomo”: se habla de átomos de hidrógeno, átomos radiactivos y átomos que forman a la materia. Muchas personas consideran los átomos como las piezas básicas del universo, pero ¿qué pensarías si te dijeran que hay partículas mucho más pequeñas, que pueden ayudarnos a describir la materia desde su forma más fundamental? A estas partículas se les conoce como quarks.
- En este resumen aprenderás quiénes y cómo propusieron la existencia de los quarks.
- También revisaremos la definición de quark y veremos los tipos más importantes.
- Veremos la interacción nuclear fuerte y las interacciones débiles.
- Finalmente, hablaremos del diagrama de Feynman y los 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.
La palabra quark proviene de una palabra alemana que significa “requesón”, pero que se usa coloquialmente para describir una “tontería trivial”. Esta palabra motivó a Gell-Mann porque, al parecer, no sonaba a ciencia. En una carta privada, el científico cuenta que se encontró con la siguiente frase del poema Finnegans Wake de James Joyce:
¡Tres quarks para Muster Mark! Seguro que no tiene mucho que graznar y seguro que lo que tiene está fuera de lugar.
Esta línea le pareció adecuada, ya que las partículas subatómicas propuestas se encontraban siempre de tres en tres.
¿Qué son los quarks?
Los quarks son partículas fundamentales que aportan la mayor parte de la masa del universo. El símbolo de un quark es q.
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:
- Bariones: hadrones formados por tres quarks.
- Mesones: hadrones formados por una pareja quark-antiquark.
Los protones y neutrones son los ejemplos más comunes de los bariones, los piones y kaones son ejemplos de mesones.
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.
| | | | |
|---|
| Partícula | Símbolo | Carga eléctrica | Número bariónico | Número de extrañezas |
| Up | u | + ⅔ | + ⅓ | 0 |
| Down | d | -⅓ | + ⅓ | 0 |
| Strange | s | -⅓ | + ⅓ | -1 |
| Charm | c | + ⅔ | + ⅓ | 0 |
| Top | t | + ⅔ | + ⅓ | 0 |
| Bottom | b | -⅓ | + ⅓ | 0 |
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.
Protón
Como los protones tienen una carga elemental de 1, las cargas de los quarks que componen el protón deben ser de 1. Para tener tres quarks y un valor de carga de 1, hay que tener dos quarks up y un quark down.
\[ \text{protón}=udu\]
Sumando la carga total de los tres quarks, se obtiene 1.
\[ \text{carga del protón}=\frac{2}{3}-\frac{1}{3}+\frac{2}{3}=1\]
La carga total fundamental indica que se trata de un protón. Los protones y los neutrones también se conocen como bariones, y consisten en materia normal. La suma de sus números de bariones debe dar 1 como resultado.
Un número bariónico igual a 1 indica que se trata de un barión formado por materia normal.
Neutrón
Como los neutrones tienen una carga fundamental de 0, las cargas de los quarks que componen el protón deben ser 0.
Para tener tres quarks y ninguna carga, debes tener dos quarks down y un quark up.
\[ \text{neutrón}=dud \]
Sumando todas las cargas, se obtiene 0.
\[ \text{carga del neutrón} = -\frac{1}{3} + \frac{2}{3}-\frac{1}{3}=0\]
La carga fundamental total indica que se trata de un neutrón. Los neutrones y los protones también se conocen como bariones, que consisten en materia normal. La suma del números de bariones debe dar como resultado 1.
Un número bariónico igual a 1 indica que se trata de un barión formado por materia normal.
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 fuerza nuclear fuerte es la fuerza de atracción que mantiene unidos a los núcleos atómicos. Los propios protones y neutrones están formados por partículas aún más pequeñas, que se mantienen unidas gracias a la fuerza nuclear fuerte. Gracias a la interacción fuerte, la materia existe, tal como la conocemos.
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:
- Desintegración beta negativa: un neutrón se convierte en protón y libera un electrón y un antineutrino: \[ {}^{1}_{0} n \rightarrow {}^{1}_{1} p + {}^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e + \bar{v_{\varepsilon}} \]
- Desintegración beta positiva: un protón se convierte en un neutrón y libera un positrón y un neutrino: \[ {}^{1}_{1} p \rightarrow {}^{1}_{0} n + {}^{0}_{1}e + v_{\varepsilon} \]
Captura de electrones: un núcleo atómico captura un electrón, y el protón lo absorbe. Esta reacción libera un neutrón y un neutrino: \[ ^1_1p+^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e \rightarrow ^1_0n +v_{\varepsilon}\].
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).
Recuerda que los protones están formados por dos quarks up y un quark down (udu), mientras que los neutrones están formados por dos quarks down y uno up (dud).
- 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.
Un ejemplo de esto es la desintegración beta de un neutrón en un protón, como se muestra a continuación: \[ {}^{1}_{0} n \rightarrow {}^{1}_{1} p + {}^{\phantom{\text{-}}0}_{\text{-}1}e + \bar{v_{\varepsilon}} \]
El diagrama de Feynman para este proceso es el siguiente:
Física de quarks - Puntos clave
- Un átomo está compuesto por un núcleo, donde están los protones y neutrones, y una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo.
- Los quarks son las partículas que componen los hadrones.
- Los quarks se mantienen unidos debido a la interacción fuerte y se clasifican en dos familias.
- Los bariones son hadrones formados por tres quarks.
- Los mesones son hadrones formados por una pareja quark-antiquark.
- La interacción fuerte es la interacción más intensa, pero tiene alcances muy cortos: es cero a distancias superiores a \( 10^{-15}\) metros.
- La partícula mediadora de 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.
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