Elmodel estàndard de física de partícules sosté que tota la matèria està formada per un petit alfabet departícules elementals que consisteix en sisquarks i sisleptons. Els físics estaven convençuts que el quarkt, el més pesant dels quarks, havia d'existir des de 1977, quan es descobrí el seu company de la 3a generació, elquarkb.[4]
El quarkt es pot produir per col·lisions deprotons contraantiprotons a grans velocitats que donen una parella d'un quarkt i un antiquarkt. Ambdós es desintegren ràpidament en diverses partícules filles. La millor manera de detectar el quarkt és observar la seva desintegració en unbosóW i el quark més lleuger següent, el quarkb. Un problema clau és el fet que els quarksb i els bosonsW energètics també són inestables i es desintegren ràpidament en jets de partícules que típicament provenen de col·lisions de fons menys interessants. Identificar el quarkt requeria distingir una signatura del quarkt real de les dels processos de fons que poden imitar-ne una.[4]
El 1985, quan el col·lisionadorTevatró deFermilab,Batavia,Illinois, es posà en funcionament per primera vegada, la recerca del quarkt ja estava en marxa, però els primers esforços a l'accelerador lineal de Stanford (SLAC) i alDESY a Alemanya no donaren fruits. A finals de la dècada dels 1980 l'accelerador circular delCERN, en aquell moment l'accelerador més potent amb energies de fins a 315 GeV, tampoc havia aconseguit trobat el quarkt. Tanmateix, els experiments havien determinat que la seva massa no podia ser inferior a 77 GeV, més enllà dels límits dels feixos d'energia de CERN.[4]
Vista del detectorCollider Detector at Fermilab (CDF).
A la dècada de 1990, la recerca es desplaçà cap al Fermilab i els seus dos experiments principals: les col·laboracions de detectors CDF (Collider Detector at Fermilab) i D0. En el moment en què els investigadors començaren a obtenir dades el 1992, el límit de la massa del quarkt s'havia elevat a 91 GeV. Al llarg d'una dècada, les dues col·laboracions construïren instruments enormes i complicats per aïllar la signatura del quarkt. Per fer-ho, les dues col·laboracions filtraren els productes de les col·lisions de protons i antiprotons a energies de 1 800 GeV (per fusió degluons o per anihilació quark-antiquark), que produïren la reacció:
Després d'una anàlisi intensiva i escrutini, els resultats finals, publicats gairebé un any després que els investigadors anunciaren l'evidència de la detecció del quarkt l'abril de 1994. En publicacions simultànies l'abril de 1995,[5][6] tots dos equips informaren del descobriment amb una probabilitat inferior a una entre 500 000 que els resultats es poguessin explicar per altres processos. La massa extremadament gran del quarkt –el valor actual és de 172,69 GeV/c², similar a la massa d'un nucli detungstè, que conté 197protons ineutrons– suggereix que pot ser fonamentalment diferent dels altres quarks. La immensa massa del quarkt fa que les seves desintegracions siguin terreny fèrtil per a noves investigacions de partícules.[4]
Aquest mètode de producció de quarkst fou l'emprat en el seu descobriment alTevatró delFermilab i posteriorment alCERN alLHC (Gran Col·lisionador d'Hadrons). Mitjançant l'anihilació de parellesprotó-antiprotó llançats a grans velocitats els uns contra els altres. Per acció de laforça nuclear forta es pot produir una fusió de dosgluons (80 % dels casos al LHC del CERN) o l'anihilació d'una parella quark-antiquark (85 % dels casos al Tevatró del Fermilab). En ambdós casos s'obté una parella de quarkt i antiquarkt que, ràpidament, es desintegren.[7]
Hi ha tres modes de producció d'un únic quarkt que impliquen laforça nuclear feble:
Diagrames de Feynman dels canals de producció d'un ùnic quarkt.
Canals.
CanaltW.
Canalt.
Canals: la col·lisió d'un quark amb un antiquark genera unbosó W virtual, que decau a una parella quark-antiquark. És el canal que menys contribueix a la formació d'un únic quarkt, amb un 4 % de probabilitat.
Producció d'una parellatW: l'estat final és una parella d'un fermiót amb un bosóW. La seva contribució és del 20 %.
Canalt: és la manera que més hi contribueix, amb un 75 %. També rep el nom de fusióW gluó, atès que el bosó W col·lideix amb unquarkb del mar de quarks del protó prèviament generat per un gluó, produint finalment un quarkt.[8]
El quarkt és el quark més massiu (mt ~ 172,69GeV/c²), una massa força gran. És 184 vegades més massiu que un àtom d'hidrogen (que conté un sol protó), unes 18 vegades més que una molècula d'aigua i pràcticament té la mateixa massa que la d'un àtom detungstè.
Té unacàrrega elèctrica de +⅔e, essente lacàrrega elèctrica elemental 1,602 × 10–19 C, igual que els quarksu ic. Com elselectrons i la resta de quarks, se suposa que és una partícula puntual, això és, no té volum. L'espín del quarkt val ½, l'isoespín 0, elnombre bariònic ⅓ i el nombre quàntic veritatT = 1. Els seus nombres quànticsestranyesaS,encantC ibellesaB valen zero. Com la resta de quarks no existeix aïllat, ni se'l pot aïllar, i es presenta combinat amb d'altres, formantmesons de dos quarks ibarions de tres quarks. Les propietats del quarkt figuren a la següent taula i es comparen amb les dels altres quarks.[9]
L'antipartícula del quarkt és l'antiquark t, que només es diferencia perquè algunes de les seves propietats són d'igual magnitud, però de signe oposat: així lacàrrega elèctrica que el quarkt la té de +⅔e i l'antiquarkt de –⅔e, elnombre bariònic de l'antiquarkb és –⅓ i el nombre quàntic veritat 1.[9]
A causa de lavida mitjana extremadament curta del quark t (τ ~ 0,5 × 10–24 s), els detectors només poden mesurar els seus productes de desintegració. El quarkt es desintegra en un quark amb càrrega elèctrica negativa (d,s ob). En unquarkb el 99,82 % de les vegades, en unquarks 0,17 % i en unquarkd 0,007 %, i unbosóW+, que al seu torn pot desintegrar-se en unleptó més unneutrí o en una parella de quarks lleugers. Per altra banda, el quarkb generat no pot estar lliure, i es combina amb parelles de quarks i antiquarks que s'originen del buit produint raigs de partícules. L'antiquarkt es desintegra en unantiquarkb (majoritàriament, oantiquarks oantiquarkd) i un bosóW–:[9]
És àmpliament acceptat que el quarkt no té cap probabilitat de formarmesons (partícula formada per dos quarks) de cap tipus, ni cap barió (partícula formada per tres quarks), ja que el quarkt es desintegra amb una velocitat tan elevada que no permet una òrbita única de l'estat lligat. Càlculs inicials basats en un quarkt relativament lleuger han demostrat que l'observabilitat d'estats lligats seria possible només en una finestra estreta de valors de la massa. Estimacions posteriors han demostrat que només hi ha una probabilitat reduïda de crear un estat lligat per a masses superiors del quarkt. A partir d'aquests resultats, es pot inferir que fins i tot la possibilitat de formar un mesó format per un sol quarkt i un més lleuger és baixa.[10]
.jpg)
.png)
.png)
.png)
