Hi ha sis tipus de quarks, coneguts com asabors:u,d,s,c,b it.[4] Els quarks u i d tenen les menors masses d'entre tots els quarks. Els quarks més pesants canvien ràpidament cap a quarks u i d amb un procés dedesintegració de partícules: la transformació d'un estat més alt de massa cap a un estat més baix de massa. Per aquest motiu, els quarks u i d són generalment estables i els més comuns de l'univers, mentre que els quarks estrany, encant, fons i cim només es poden produir en col·lisions altament energètiques (com ara, les que involucrenrajos còsmics i enacceleradors de partícules). Per cada sabor de quark existeix unaantipartícula corresponent, coneguda com aantiquark, que només difereix del quark en què algunes de les seves propietats tenenla mateixa magnitud, però signe oposat.
Sis de les partícules delmodel estàndard són quarks (en lila). Cada una de les tres primeres columnes forma unageneració de matèriaEsquema d'unneutró format per un quark amunt (u) i dos quarks avall (d), units per la força nuclear forta.Unpió positiu (π+) és una partícula formada per un quark amunt (u) i unantiquark avall () units per la força nuclear forta
Elmodel estàndard de física de partícules és el marc teòric que descriu totes les partícules elementals conegudes. Aquest model conté sissabors de quarks (q), anomenatsdalt (u),baix (d),estrany (s),encant (c),fons (b) icim (t).[4] Les antipartícules dels quarks s'anomenenantiquarks i es denoten amb una ratlla sobre el símbol del quark corresponent (per exemple,u per antiquark dalt). Com passa amb l'antimatèria en general, els antiquarks tenen la mateixa massa, temps de vida mitjà i espín que els seus quarks respectius, però la càrrega elèctrica i d'altrescàrregues tenen el signe oposat.[8]
Els quarks són partícules amb1⁄2 d'espín, la qual cosa implica que sónfermions segons elteorema d'estadística de l'espín. Estan sotmesos alprincipi d'exclusió de Pauli, que enuncia que no hi pot haver dos fermions idèntics ocupant simultàniament el mateixestat quàntic. Això contrasta amb elsbosons (partícules amb espín enter), dels quals n'hi pot haver qualsevol quantitat en el mateix estat.[9] A diferència delsleptons, els quarks contenencàrrega de color, la qual cosa els immergeix en laforça nuclear forta. L'atracció resultant entre els diferents quarks provoca la formació de partícules compostes conegudes com ahadrons.
Els quarks que determinen elsnombres quàntics reben el nom dequarks de valència; a part d'aquests, qualsevol hadró pot contenir un nombre indefinit de quarksvirtuals, antiquarks igluons que no influeixen en els seus nombres quàntics.[10] Hi ha dues famílies d'hadrons:barions, amb tres quarks de valència, imesons, amb un quark de valència i un antiquark.[11] Els barions més comuns són el protó i el neutró, els blocs de construcció delnucli atòmic.[12] Es coneix un gran nombre d'hadrons (vegeuLlista de barions iLlista de mesons), la majoria dels quals es diferencien pels quarks que els constitueixen i les propietats que aquests els atorguen. L'existència d'hadrons «exòtics» amb més quarks de valència, com ara elstetraquarks (qqqq) i elspentaquarks (qqqqq), s'ha conjecturat[13] però no s'ha demostrat.[13][14][nota 1] Tanmateix, el 13 de juliol de 2015 l'experimentLHCb alCERN va reportar resultats consistents amb els estats dels pentaquarks.
Els fermions elementals s'agrupen en tresgeneracions, cada una de les quals comprèn dos leptons i dos quarks. La primera generació inclou els quarks dalt i baix, el segon els quarks estrany i encant i el tercer els quarks fons i cim. Totes les cerques d'una quarta generació de quarks i d'altres fermions elementals han fallat[15] i hi ha proves indirectes de pes que no n'existeixen més de tres generacions.[16][nota 2] Generalment, les partícules de les generacions més altes tenen més massa i menor estabilitat, fent que es desintegrin en partícules de generacions més baixes mitjançant laforça nuclear feble. Comunament, en la natura, només podem trobar quarks de primera generació (dalt i baix). Els quarks més pesants només es poden crear en col·lisions altament energètiques (com les que involucrenraigs còsmics) i es desintegren ràpidament; tanmateix, es creu que hi eren presents durant les primeres fraccions de segon posteriors albig-bang, quan l'univers estava en una fase extremadament calenta i densa (l'època dels quarks). Els estudis de quark més pesants es condueixen en condicions creades artificialment, com ara enacceleradors de partícules.[17]
Els quarks tenen càrrega elèctrica, massa, càrrega de color i sabor; en conseqüència, són les úniques partícules conegudes que experimenten les quatreforces fonamentals de la física contemporània: electromagnetisme, gravitació, força nuclear forta i força nuclear feble.[12] La gravitació és prou dèbil per a ser irrellevant en interaccions individuals entre partícules, excepte en casos extrems d'energia (energia de Planck) i de distància (longitud de Planck). No obstant això, com que no hi ha cap teoria convincent de lagravetat quàntica, la gravitació no està descrita per al model estàndard.
Vegeu lataula de propietats de més avall per un sumari complet de les característiques dels sis sabors de quarks.
Quan es va concebre la teoria dels quarks, el «zoo de partícules» (el conjunt de suposades partícules elementals) incloïa, entre d'altres, una multitud d'hadrons. Gell-Mann i Zweig postularen que no eren partícules elementals, sinó combinacions de quarks i antiquarks. El model descrivia tres sabors de quark:dalt,baix iestrany, als quals hi adscrigueren propietats com espín i càrrega elèctrica.[18][19][20] La reacció inicial de la comunitat física envers la proposta va ser mixta. Hi havia cert debat sobre si el quark era una vertadera entitat física o una mera abstracció utilitzada per explicar conceptes desconeguts a l'època.[24]
En menys d'un any, es proposaren extensions al model de Gell-Mann-Zweig.Sheldon Lee Glashow iJames Bjorken predigueren l'existència d'un quart sabor de quark, que anomenaren «encant». L'afegitó es va proposar perquè permetia una millor descripció de laforça nuclear feble (el mecanisme que permet als quarks desintegrar-se), igualava el nombre de quarks al nombre llavors conegut deleptons i implicava unafórmula màssica que reproduïa correctament les masses delsmesons coneguts.[25]
El 1968, experiments dedispersió inelàstica profunda alStanford Linear Accelerator Center (SLAC) mostraren que el protó conteniaobjectes puntuals molt més petits i que per tant no era una partícula elemental.[6][7][26] Aleshores els físics eren reticents d'identificar aquests objectes com a quarks, anomenant-lospartons (terme encunyat perRichard Feynman).[27][28][29] Els objectes observats al SLAC s'identificarien com a quarks dalt i baix més endavant, així com es conegueren els altres sabors de quark.[30] En tot cas, el terme «partó» se segueix emprant com a nom col·lectiu pels constituents dels hadrons (quarks, antiquarks igluons).
L'existència del quark estrany es va validar indirectament als experiments de dispersió del SLAC; no només era un component necessari del model de Gell-Mann i Zweig de tres quarks, sinó que a més proporcionava una explicació pels hadrons dekaons (K) ipions (π) descoberts a rajos còsmics el 1947.[31]
Es produïren quarks encant de forma gairebé simultània per dos equips el novembre de 1974 (Revolució de Novembre), un a SLAC sota la direcció deBurton Richter i un alBrookhaven National Laboratory sota la deSamuel Chao Chung Ting. Els quarks encant s'observarenlligats amb antiquarks encant als mesons. Els dos equips assignaren al mesó descobert dos símbols diferents, J i ψ, per la qual cosa passà a conèixer-se formalment com amesó J/ψ. El descobriment va convèncer finalment als físics de la validesa del model de quarks.[29]
En els anys següents aparegué un seguit de suggeriments per a estendre el model de quarks a sis quarks. D'aquests, el document de 1975 perHaim Harari[35] fou el primer en encunyar els termescim ifons per referir-se als quarks addicionals.[36]
El 1977 un equip liderat perLeon Lederman observà elquark fons alFermilab.[37][38] Això va ser un fort indicador de la probable existència delquark cim: sense el quark cim, el quark fons estaria desaparellat. Tanmateix, no va ser fins al 1995 quan s'observà per primera vegada el quark cim, a càrrec dels equipsCDF[39] iD0[40] al Fermilab.[5] Tenia una massa molt més gran de l'esperada,[41] gairebé tant com la d'un àtom d'or.[42]
Els quarks tenen càrregues elèctriquesfraccionàries:1⁄3 o2⁄3 vegades lacàrrega elemental (e), segons el sabor. Els quarks dalt, encant i cim (col·lectivament anomenatsquarks de tipus dalt) tenen una càrrega de +2⁄3 e, mentre que els quarks baix, estrany i fons (quarks de tipus baix) la tenen de −1⁄3 e. Els antiquarks tenen la càrrega oposada dels seus respectius tipus; els antiquarks de tipus dalt tenen càrregues de −2⁄3 e i els de tipus baix de +1⁄3 e. Com que la càrrega elèctrica d'unhadró és la suma de les càrregues dels quarks que el constitueixen, tots els hadrons tenen càrregues enteres: la combinació de tres quarks (barions), tres antiquarks (antibarions) o un quark i un antiquark (mesons) sempre resulten en un nombre enter de vegades la càrrega elemental.[43] Per exemple, els hadrons que constitueixen els nuclis atòmics, els neutrons i els protons, tenen càrregues de 0 e i +1 e respectivament; un neutró es compon per dos quarks baix i un quark dalt i un protó de dos quarks dalt i un quark baix.[12]
L'espín és una propietat intrínseca de les partícules elementals i la seva direcció és ungrau de llibertat important. Sovint es visualitza com la rotació d'un objecte al voltant del seu propi eix, encara que aquesta noció és en certa manera equívoca a escala subatòmica, ja que es creu que les partícules elementals sónpuntuals.[44]
L'espín es pot representar com unvector la longitud del qual es mesura en unitats de laconstant reduïda de Planck,ħ (llegida «h barra»). Pels quarks, la mesura de la component del vector espín al llarg d'un eix qualsevol només pot prendre els valors +ħ/2 o −ħ/2; per aquesta raó els quarks es classifiquen com a partícules d'espín-1⁄2.[45] La component de l'espín al llarg d'un eix donat –per convenció l'eixz– sovint es denota amb una fletxa cap amunt ↑ pel valor +1⁄2 i amb una fletxa cap avall ↓ pel valor −1⁄2, situada després del símbol del sabor en qüestió. Per exemple, un quark dalt amb un espín de +1⁄2 al llarg de l'eixz es denotaria per u↑.[46]
Diagrama de Feynman de ladesintegració beta amb el temps fluint cap amunt. La matriu CKM codifica la probabilitat d'aquesta i altres desintegracions de quarks.
Un quark d'un cert sabor es pot transformar en un quark d'un altre sabor només a través de la força nuclear feble, una de les quatreforces fonamentals de la física de partícules. A través de l'absorció o l'emissió d'unbosó W, qualsevol quark de tipus dalt (quarks dalt, encant i cim) es pot convertir en qualsevol quark de tipus baix (quark baix, estrany i fons) i viceversa. Aquest mecanisme de transformació de sabor causa el procésradioactiu dedesintegració beta, en què un neutró (n) es «divideix» en un protó (p), unelectró (e-) i unantineutrí electrònic (νe), com s'aprecia a la imatge. Això passa quan un dels quarks baix del neutró (udd) es desintegra en un quark dalt emetent un bosó W-virtual, transformant el neutró en un protó (uud). Seguidament el bosó W- es desintegra en un electró i un antineutrí electrònic.[47]
n
→
p
+
e-
+
νe
(Desintegració beta en notació hadrònica)
udd
→
uud
+
e-
+
νe
(Desintegració beta en notació de quarks)
Tant la radioactivitat beta com el seuinvers s'empren de forma rutinària en medicina entomografies per emissió de positrons (TEP) i en experiments que involucren la detecció de neutrins.
Les forces de les interaccions febles entre els sis tipus de quark. La «intensitat» de les línies ve determinada pels elements de la matriu CKM.
Tot i que el procés de transformació de sabors és el mateix per tots els quarks, cada quark té preferència per transformar-se en el quark de la seva pròpia generació. Les tendències relatives de totes les transformacions de sabor es descriuen a través d'unataula matemàtica, anomenadamatriu Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (matriu CKM). Expressades de forma unitària, lesmagnituds de les entrades de la matriu CKM són:[48]
onVij representa la tendència d'un quark de sabori a convertir-se en un de saborj (o viceversa).[nota 4]
Existeix una matriu equivalent per la força nuclear feble pels leptons, l'anomenadamatriu Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (matriu PMNS).[49] Conjuntament, les matrius CKM i PMNS descriuen totes les transformacions de sabor, però la relació entre les dues encara no és clara.[50]
Tots els tipus d'hadrons tenen càrrega de color total igual a zero.El patró de les càrregues fortes per als tres colors de quark, tres antiquarks i vuit gluons (dos d'ells amb càrrega zero superposats).
Segons lacromodinàmica quàntica (CDQ), els quarks posseeixen una propietat anomenadacàrrega de color. Hi ha tres tipus de càrrega de color, arbitràriament etiquetats com ablau,verd ivermell.[nota 5] Cada un d'ells està complementat per un anticolor –antiblau,antiverd iantivermell. Cada quark disposa d'un color, mentre que cada antiquark d'un anticolor.[51]
El sistema d'atracció i repulsió entre els quarks carregats amb diferents combinacions dels tres colors s'anomenaforça nuclear forta, que està intervinguda per lespartícules mediadores conegudes com agluons; això es discuteix detalladament més avall. La teoria que descriu la força nuclear forta s'anomena cromodinàmica quàntica. Un quark, que té una única coloració, pot formar unsistema lligat amb un antiquark de l'anticolor corresponent. El resultat de dos quarks en atracció serà la neutralitat de color: un quark amb càrrega de colorξ i un antiquark amb càrrega de color −ξ resultarà en una càrrega de color de 0 (o colorblanc) i la formació d'un mesó. Aquest fet és anàleg a l'addició de colors pròpia de l'òptica bàsica. Similarment, la combinació de tres quarks, cada un amb una càrrega de color diferent; o de tres antiquarks, cada un amb una càrrega d'anticolor diferent, resultarà en la mateixa càrregablanca de color i en la formació d'un barió o antibarió.[52]
En la física de partícules moderna, lessimetries de gauge (un tipus degrup de simetria) relacionen les interaccions entre partícules. El colorSU(3) (sovint abreujat SU(3)c) és la simetria de gauge que relaciona la càrrega de color en quarks i és la simetria que defineix la cromodinàmica quàntica.[53] Així com les lleis de la física són independents de quines direccions en l'espai es designenx,y iz i romanen invariants si es giren els eixos, la física de la cromodinàmica quàntica és independent de quines direccions en l'espai tridimensional de color s'identifiquen com a blau, verd i vermell. Les transformacions de color SU(3)c corresponen a «rotacions» en l'espai de color (que, matemàticament parlant, és unespai complex). Cada sabor de quarkf, amb els subtipusfB,fG,fR designant els colors de quark,[54] forma una tripleta: uncamp quàntic que es transforma sota la representació fonamental de SU(3)c.[55] El requisit que SU(3)c hauria de ser local –això és, que les seves transformacions estiguin permeses de variar amb l'espai i el temps– determina les propietats de la força nuclear forta, en particular l'existència de vuit tipus de gluons que n'actuen com a mediadors.[53][56]
Comparació de les masses de cada quark despullat, amb representades en proporció amb el volum de les boles. Unprotó i unelectró (en vermell) apareixen representats al cantó inferior esquerre.
Encara que es parla de lamassa d'un quark en el mateix sentit que es parla de la massa d'una altra partícula qualsevol, la noció de massa en un quark és ambigua pel fet de no poder-se trobar sol a la naturalesa: en general sempre va acompanyat d'ungluó. Per això s'empren dos termes per referir-se a la massa d'un quark: lamassa d'un quark despullat es refereix a la massa d'un quark per si mateix, mentre que lamassa constituent d'un quark es refereix a la massa d'un quark despullat més la massa delcamp de partícules degut als gluons que l'envolten.[57] Aquestes masses acostumen a tenir valors molt diferents, ja que la major part de la massa d'un hadró prové dels gluons que lliguen els quarks constituents entre si i no dels quarks en si. Si bé els gluons manquen de massa de forma inherent, posseeixen energia –més concretament, energia de lligament de la cromodinàmica quàntica– que és la que contribueix tan enormement a la massa total de l'hadró (vegeurelativitat especial). Per exemple, un protó té una massa aproximadament de 938 MeV/c², de la qual la massa en repòs dels seus tres quarks de valència només contribueix en 11 MeV/c²; la major part de la resta es pot atribuir a l'energia dels gluons.[58][59]
El model estàndard postula que les partícules elementals deriven les seves masses delmecanisme de Higgs, que està relacionat amb elbosó de Higgs. Els físics confien que una major recerca en les raons de la gran massa del quark cim, ~173 GeV/c² (gairebé la massa d'un àtom d'or),[58][60] desveli més informació sobre l'origen de la massa dels quarks i les altres partícules elementals.[61]
La taula següent és un sumari de les propietats clau dels sis quarks. Elsnombres quàntics amb aroma –isoespín (I₃),encant (C),estranyesa (S, no confongueu amb espín),veritat (T) ibellesa (B′)– estan assignats a un cert sabor de quark i denoten qualitats de sistemes formats per quarks i hadrons. Elnombre bariònic (B) és +1⁄3 per a tots els quarks, ja que els barions estan formats per tres quarks. En el cas dels antiquarks, la càrrega elèctrica (Q) i tots els nombres quàntics amb aroma (B,I₃,C,S,T, andB′) són del signe oposat. La massa i elmoment angular total (J; igual a l'espín en el cas de les partícules puntuals) no canvien de signe pels antiquarks.
Segons Markus Thoma,Murray Gell-Mann (Premi Nobel del1969) hauria creat la paraulaquark fent referència a uns versos deJames Joyce (1882-1941), inclosos en la novel·laFinnegans Wake, en què es pot llegir:Three quarks for Muster Mark. El significat d'aquesta paraula no està gens clar. Joyce podria haver convertitquart (un quart de litre), enquark, per la seva semblança fonètica, però també es podria tractar desquawk, que significa 'grall', o podria fer referència al formatge untable en porcions triangulars, que ha inspirat també les fitxes delTrivial Pursuit. MentreRichard Feynman hi proposàparton al·ludint aDolly Parton, la cantant decountry.[68]
↑Diversos grups de recerca aclamaren haver demostrat l'existència dels tetraquarks i els pentaquarks a principis de mil·lenni. Encara que l'estatus dels tetraquarks encara és tema de debat, tots els candidats de pentaquark coneguts s'han establert com a no existents des de llavors.
↑La principal prova està basada en l'amplitud de ressonància dels bosons W i Z, que restringeix el neutrí de la 4a generació a tenir una massa major que ~45 GeV/c2. Això contrastaria amb els neutrins de les altres tres generacions, les masses dels quals no poden excedir2 MeV/c2
↑La violació CP és un fenomen que fa que les interaccions febles es comportin diferentment quan la dreta i l'esquerra s'intercanvien (simetria P) i quan les partícules es substitueixen per les antipartícules corresponents (simetria C).
↑La vertadera probabilitat de desintegració d'un quark en un altre és una funció complicada de la massa en desintegració del quark, les masses delproducte de desintegració i l'element corresponent de la matriu CKM, entre d'altres. Aquesta probabilitat és directament proporcional (però no igual) a la magnitud quadrada de l'entrada corresponent de la CKM,Vij|².
↑Malgrat el seu nom, la càrrega de color no està relacionada amb l'espectre visible de la llum.
↑M. Gell-Mann. «The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry». A: M. Gell-Mann, Y. Ne'eman.The Eightfold Way. Westview Press, 2000, p. 11.ISBN 0-7382-0299-1. Original:M. Gell-Mann.The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry. California Institute of Technology, 1961.
