| Quark cima (o top) (t) | ||
|---|---|---|
 Un evento de colisión que implica quarks top | ||
| Composición | Partícula elemental | |
| Familia | Fermión | |
| Grupo | Quark | |
| Generación | Tercera generación | |
| Interacción | Gravedad,Interacción débil,electromagnetismo einteracción fuerte | |
| Estado | Descubierta | |
| Antipartícula | Antiquark cima () | |
| Teorizada | Makoto Kobayashi yToshihide Maskawa (1973) | |
| Descubierta | ColaboracionesCDF yDØ (1995) | |
| Masa | 307,5 ± 4,1 · 10−27kg 173,34 ± 0,76[1]GeV/c2 | |
| Vida media | ≈10-25s | |
| Decae en | quark fondo (99.8%) quark extraño (0.17%) quark abajo (0.007%) | |
| Carga eléctrica | +e | |
| Carga de color | Color | |
| Espín | 1⁄2 | |
| Hipercarga débil | -1 | |
Elcuark cima (ocuark t del inglés "Quark Top"), es una partícula elemental que pertenece a la tercera generación de cuarks. Tiene asignada una carga de +2⁄3[2] de lacarga elemental y un spin de 1⁄2,[2] con lo cual es unfermión y cumple elprincipio de exclusión de Pauli. Como los demás cuarks los cuarks cima sienten lainteracción fuerte y tienencarga de color, así mismo el anticuark cima tiene carga de anticolor.
Es el más masivo de los cuarks descubiertos hasta la fecha, tan masivo como losnúcleos deoro[cita requerida]. Debido a su inmensa masa (unos 174 GeV en reposo)[3] es una partícula muy inestable, quedecae en menos de unyoctosegundo, con lo que no tiene ni tiempo para formarhadrones con otros quarks (este proceso se llamahadronización). Por este hecho provee un laboratorio para poner a prueba los conocimientos sobre la interacción fuerte. Una medición exacta de sus propiedades pueden proveer información clave en la ruptura de la interacción electrodébil.[2]
Fue el último de los cuarks descubiertos, en 1995 en elFermilab.[4] Hasta la entrada en funcionamiento delLHC, elTevatrón del Fermilab fue el únicoacelerador de partículas lo suficientemente energético para producir cuarks cima, formados al colisionar unprotón y unantiprotón con una energía de 1,96teraelectronvoltios. Después de su fugaz existencia, casi siempre decae en unbosón W+ y en uncuark fondo.[5] En principio, los científicos[¿quién?] pensaron llamarlo "quark verdad" (Truth), pero con el tiempo se le quedó el nombre de quark cima (Top)[cita requerida].
Este cuark dota a los hadrones que forma con unnúmero cuántico llamado 'superioridad' (posible traducción de "topness"), que se define como el número de cuarks cima menos el número de anticuarks cima que lo forman. Este número cuántico, al igual quela "extrañeza",el "encanto" ola "belleza" (número de cuarks (sabor) s, c o b presentes en una cierta partícula, menos el número de correspondientes antiquarks), puede ser violado por la interacción débil, pero no por la interacción fuerte ni la electromagnética, que conservan el sabor de los cuarks.
En 1973,Makoto Kobayashi yToshihide Maskawa predijeron la existencia de una tercera generación de quarks para explicar las violaciones de CP observadas endesintegración kaones. Los nombres top yfondo fueron introducidos porHaim Harari en 1975,[6][7] para coincidir con los nombres de la primera generación de quarks (arriba yabajo) reflejando el hecho de que los dos eran el componente "up" y "down" de unisospín débildoblete.[8][9]
La propuesta de Kobayashi y Maskawa se basaba en gran medida en elmecanismo GIM propuesto porSheldon Glashow,John Iliopoulos yLuciano Maiani,[10] que predecía la existencia del entonces aún no observadoquark encanto. (El otro quark desegunda generación, elquark extraño, ya había sido detectado en 1968). Cuando ennoviembre de 1974 los equipos delBrookhaven National Laboratory (BNL) y delStanford Linear Accelerator Center (SLAC) anunciaron simultáneamente el descubrimiento delmesón J/ψ, poco después fue identificado como un estado ligado del quark encanto desaparecido con su antiquark. Este descubrimiento permitió que el mecanismo GIM pasara a formar parte del Modelo Estándar.[11] Con la aceptación del mecanismo GIM, la predicción de Kobayashi y Maskawa también ganó en credibilidad. Sus argumentos se vieron reforzados por el descubrimiento de latau por el equipo deMartin Lewis Perl en SLAC entre 1974 y 1978.[12] La tau anunciaba una tercera generación deleptones, rompiendo la nuevasimetría entre leptones y quarks introducida por el mecanismo GIM. El restablecimiento de la simetría implicaba la existencia de un quinto y un sexto quark.
De hecho, no pasó mucho tiempo hasta que un quinto quark, el bottom, fue descubierto por el equipo delexperimento E288, dirigido porLeon Lederman en elFermilab en 1977.[13][14][15] Esto sugería fuertemente que también debía haber un sexto quark, el top, para completar el par. Se sabía que este quark sería más pesado que el bottom, por lo que requeriría más energía para crearse en las colisiones de partículas, pero la expectativa general era que el sexto quark se encontraría pronto. Sin embargo, pasaron otros 18 años hasta que se confirmó la existencia del top.[16]
Las primeras búsquedas del quark top enSLAC yDESY (enHamburgo) no dieron ningún resultado. Cuando, a principios de la década de 1980, elSuperprotón Sincrotrón (SPS) delCERN descubrió elbosón W y elbosón Z, se volvió a pensar que el descubrimiento del top era inminente. A medida que el SPS ganaba la competencia delTevatrón del Fermilab seguía sin haber señales de la partícula desaparecida, y el grupo del CERN anunció que la masa del top debía ser de al menos 41 GeV/c². Tras una carrera entre el CERN y el Fermilab para descubrir el tope, el acelerador del CERN llegó a sus límites sin crear ni un solo tope, elevando el límite inferior de su masa hasta 77 GeV/c².[16]
El Tevatrón era (hasta el inicio del funcionamiento delLHC en elCERN en 2009) el único colisionador de hadrones lo suficientemente potente como para producir quarks top. Para poder confirmar un futuro descubrimiento, se añadió al complejo un segundo detector, eldetector DØ (además delCollider Detector at Fermilab (CDF) ya presente). En octubre de 1992, los dos grupos encontraron su primer indicio de la cima, con un único suceso de creación que parecía contener la cima. En los años siguientes, se recogieron más pruebas y el 22 de abril de 1994, el grupo CDF presentó su artículo con pruebas provisionales de la existencia de un quark top con una masa de aproximadamente 175 GeV/c². Mientras tanto, el DØ no había encontrado más pruebas que el sugestivo suceso de 1992. Un año más tarde, el 2 de marzo de 1995, después de haber reunido más pruebas y reanalizado los datos de DØ (en los que se había buscado un top mucho más ligero), los dos grupos informaron conjuntamente del descubrimiento del top con una masa de 176 GeV/c².[17][18][16]>
En los años previos al descubrimiento del quark top, se observó que ciertas medidas de precisión de las masas y acoplamientos de bosones vectoriales electrodébiles son muy sensibles al valor de la masa del quark top. Estos efectos se hacen mucho mayores para valores más altos de la masa del top y, por tanto, podrían véase indirectamente el quark top aunque no pudiera detectarse directamente en ningún experimento en ese momento. El mayor efecto de la masa del quark top estaba en losT parámetro, y en 1994 la precisión de estas medidas indirectas había llevado a una predicción de que la masa del quark top estaba entre 145 GeV/c² y 185 GeV/c².[16] El desarrollo de técnicas que permitieron en última instancia tales cálculos de precisión fue lo que llevó aGerardus 't Hooft yMartinus Veltman a ganar elPremio Nobel de física en 1999.[19][20]
Como los cuarks top son muy masivos, se necesitan grandes cantidades de energía para crear uno. La única forma de alcanzar energías tan altas es mediante colisiones de alta energía. Éstas se producen de forma natural en la atmósfera superior de la Tierra cuandorayos cósmicos colisionan con partículas en el aire, o pueden crearse en unacelerador de partículas. En 2011, tras el cese de operaciones delTevatrón, elGran Colisionador de Hadrones en elCERN se convirtió en el único acelerador que genera un haz de energía suficiente para producir cuarks top, con unaenergía de centro de masa de 7 TeV. Existen múltiples procesos que pueden conducir a la producción de cuarks top, pero pueden dividirse conceptualmente en dos categorías: producción de pares top y producción de un solo top.
.png)
La más común es laproducción de un par top-antitop medianteinteracción fuerte. En una colisión, se crea ungluón altamente energético, que posteriormente decae en un top y un antitop. Este proceso fue responsable de la mayoría de los sucesos top en el Tevatrón y fue el proceso observado cuando se descubrió el top por primera vez en 1995.[23] También es posible producir pares de top-antitop a través de la desintegración de unfotón obosón Z intermedio. Sin embargo, se predice que estos procesos son mucho más raros y tienen una firma experimental prácticamente idéntica en uncolisionador de hadrones como el Tevatrón.
.png)
.png)
.png)
La producción de cuarks top individuales a través de lainteracción débil es un proceso claramente diferente. Esto puede ocurrir de varias maneras (llamadas canales): O bien unbosón W intermedio decae en un quark top y antibottom ("canal s") o un quark bottom (probablemente creado en un par a través de la desintegración de un gluón) se transforma en un quark top intercambiando un bosón W con un quark up o down ("canal t"). También se puede producir un único quark top en asociación con un bosón W que requiere un quark bottom en estado inicial ("canal tW"). La primera evidencia de estos procesos fue publicada por la colaboración DØ en diciembre de 2006,[24] y en marzo de 2009 las colaboraciones CDF[25] y DØ[23] publicaron artículos gemelos con la observación definitiva de estos procesos. La principal importancia de medir estos procesos de producción es que su frecuencia es directamente proporcional a la componente|Vtb|2 de lamatriz CKM.
|collaboration= ignorado (ayuda)|collaboration= ignorado (ayuda)|collaboration= ignorado (ayuda)|collaboration= ignorado (ayuda)|collaboration= ignorado (ayuda)|collaboration= ignorado (ayuda)|collaboration= ignorado (ayuda)Discovery of the Top Quarkhttp://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/25/3/25-3-carithers.pdf
| Control de autoridades |
|
|---|
Datos:Q6778