Um próton é composto de dois quarks up, um quark down e os glúons que mediam as forças os "unindo". A atribuição de cores de quarks individuais é arbitrária, mas todas as três cores devem estar presentes.
Oquark, nafísica de partículas, é umapartícula elementar e um de dois constituintes fundamentais da matéria (o outro é o lépton). Quarks se combinam para formar partículas compostas chamadashádrons das quais as mais estáveis desse tipo são osprótons e osnêutrons, que são os principais componentes dosnúcleos atômicos.[1] Devido a um fenômeno conhecido comoconfinamento de cor, os quarks nunca são diretamente observados ou encontrados de forma isolada; eles podem ser encontrados apenas nos hádrons, como osbárions (categoria a que pertencem os prótons e os nêutrons), e osmésons.[2][3] Por essa razão, muito do que se sabe sobre os quarks advém da observação dos hádrons.
Existem seis tipos, conhecidos comosabores, de quarks:up, down, strange, charm, bottom, e top.[4] Os quarks up e down possuem as menores massas entre todos os quarks. Os quarks mais pesados se tornam rapidamente quarks up e down através do processo de decaimento de partícula, que é a transformação de um estado de maior massa para um estado de menor massa. Por causa disso, os quarks up e down são geralmente estáveis e portanto, os mais comuns nouniverso, enquanto os quarks strange, charm, bottom e top só podem ser produzidos emcolisões de alta energia (como as que envolvemraios cósmicos eaceleradores de partículas). Para cada sabor de quark existe um tipo correspondente deantipartícula, denominadaantiquark, que difere do quark apenas pelo fato de que algumas das suas propriedades (como a carga elétrica) terem igual magnitude porém sinais opostos.
O modelo do quark foi proposto de forma independente pelos físicosMurray Gell-Mann eGeorge Zweig em 1964.[5] Os quarks foram introduzidos como parte de um esquema de organização dos hádrons, e havia pouca evidência de sua existência física até os experimentos deespalhamento inelástico profundo noCentro de Aceleração Linear de Stanford em 1968.[6][7] Experimentos com os aceleradores forneceram evidências para todos os seis sabores de quarks. O quark top, observado pela primeira vez noFermilab em 1955, foi o último a ser descoberto.[5]
Os quarks são partículas deSpin-½, o que implica que eles sãoférmions de acordo com oTeorema da estatística do spin. Eles estão sujeitos aoprincípio de exclusão de Pauli, que afirma que doisférmions idênticos não podem simultaneamente ocupar o mesmoestado quântico. Isso está em contraste com osbósons (partículas comspin inteiro), uma quantidade qualquer de que podem estar no mesmo estado.[9] Ao contrário dosléptons, quarks possuemcarga de cor, o que faz com que eles participem naforça forte. A atração resultante entre diferentes quarks provoca a formação de partículas compostas conhecidas comohádrons'.
Os quarks que determinam o número quântico dehádrons são chamados quarks de valência; além destes, qualquer hádron pode conter um número indefinido de quarks "mar" virtuais,antiquarks, egluóns, que não influenciam os seus números quânticos.[10] Há duas famílias dehádrons:bárions, com três quarks de valência, emésons, com um quark de valência e umantiquark.[11] OsBárions mais comuns são o próton e o nêutron, os blocos de construção donúcleo atômico. Um grande número dehádrons são conhecidos, a maioria deles diferenciados pelo seu conteúdo de quark e as propriedades que estes quarks constituintes conferem.
Nenhuma pesquisa para quarks livres ou carga elétrica fracionária produziu uma evidência convincente. A ausência de quarks livres foi então sendo incorporada na noção deconfinamento, o qual, acredita-se, a teoria de quark deve possuir. Contudo, deve ser possível mudar o volume do confinamento pela criação dematéria quark densa ou quente. Esta nova fase damatéria QCD foi predita teoricamente e buscas experimentais por ela já foram iniciadas.
Cadapartícula subatômica é descrita por um pequeno conjunto denúmeros quânticos tais como spinJ,paridadeP, e massam. Usualmente estas propriedades são diretamente identificadas por experimentos. Contudo, o confinamento torna impossível medir estas propriedades nos quarks. Ao invés disto, elas devem ser inferidas pela medição das propriedades das partículas compostas que são feitas de quarks. Tais inferências são mais fáceis de serem feitas adicionando números quânticos chamados desabor.
As partículas compostas feitas de quarks e antiquarks são oshádrons. Estes incluem osmésons os quais obtêm os seus números quânticos de um quark e de um antiquark, e osbárions, os quais obtêm os seus números quânticos de três quarks. Os quarks (e os antiquarks) que contam para os números quânticos dos hádrons são chamadosquark de valência. À parte destes, muitos hádrons devem conter um número indefinido de quarks, antiquarks e glúonsvirtual os quais contribuem para os seus números quânticos. Cada quark virtual é denominado demar de quarks.
A cada quark é atribuído umnúmero bariônico,B = 1/3, e umnúmero leptônico nuloL = 0. Eles tem umacarga elétrica fracionada,Q,Q = +2e/3 ouQ = −1e/3. Os iniciais chamaramup-type quarks, e depois,down-type quarks. A cadaquark é atribuído umisospin fraco:Tz = +1/2 para umquark "up" eTz = −1/2 para umquark "down". Cada vez que se dobra o isospin fraco tem-se uma nova geração de quarks. Existem três gerações, e então 6sabores de quarks — oquark up tem os sabores u, c e t, osdown os d, s, b.
O número de gerações de quarks e léptons são iguais no modelo padrão. O número de gerações de léptons é fortemente restrito, segundo os testes experimentais feitos noLEP eCERN e pela observação da abundância dehélio no universo. A precisão da medição da meia-vida dobóson Z no LEP restringe o número de gerações a três. Observações astronômicas da abundância de hélio produzem resultados consistentes com essa restrição. Os resultados, de uma busca direta por uma quarta geração de quarks apontam para a existência de um limite mínimo na massa dos quarks, sendo os de quarta geração os mais leves possíveis. A mais severa limitação veio da análise dos resultados do colisorTevatron doFermilab, e mostra que a massa da quarta geração de quark deve ser maior que 190GeV.
Cada sabor define um número quântico que será conservado durante ainteração forte, mas não nainteração fraca. A alteração da magnitude do sabor na interação fraca é codificada em uma estrutura chamadamatriz CKM. Esta também determina aviolação CP que é permitida no modelo padrão.
Números quânticos correspondem a simetriasnão-abelianas tal como a rotação. Elas requerem mais atenção na sua extração, dado que as simetrias não são aditivas. No modelo dos quarks, a construção de umméson se dá com um quark e um antiquark; por outro lado,bárions são constituídos por três quarks. Desde que os mésons sãobósons (têmspin inteiro) e bárions sãoférmions (têm spin semi-inteiro), o modelo dos quarks implica que os quarks são férmions. Além disto, o fato de bárions mais leves terem spin igual a -1/2 implica que cada quark pode ter spin. Os spins de mésons e bárions excitados são completamente consistente com estes argumentos.
Como os quarks são férmions, oprincípio de exclusão de Pauli implica que os três quarks de valência devam estar em uma combinação assimétrica em um bárion. Contudo, a carga bárion, (a qual é uma dos quatro isospin bárions) pode somente ser feita de três quarksu com spins paralelos. Como esta configuração é simétrica com respeito ao intercâmbio das cargas dos quarks, isso implica que existem outros números quânticos internos que poderão então compor combinações assimétricas. A isto se dá o nome de cor, embora não tenha nada a ver com a sensação fisiológicacores. Este número quântico é acarga envolvida nateoria de gauge chamada deCromodinâmica Quântica (QCD).
A outra única partícula colorida é oglúon, o qual é o bóson mediador da QCD. Tal como todas as outras teorias mediadoras não-Abelianas (e diferentemente daEletrodinâmica Quântica) os bósons mediadores interagem com os outros devido à mesma força que afeta os quarks.
A Cor é uma simetria gaugeSU(3). Os quarks são dispostos narepresentação fundamental,3, desde que eles se mostrem em 3 cores. Os glúons são dispostos narepresentação adjunta,8 e, por conseguinte aparecem em 8 variedades.
Embora se fale da massa do quark da mesma forma que se fala da massa de qualquer outra partícula, a noção da massa do quark é mais complicada pelo fato de ele não poder ser encontrado livre na natureza. Como um resultado disto, a noção da massa do quark é umaconstrução teórica, a qual só faz sentido quando se especifica o procedimento usado para defini-la.
A aproximadasimetria quiral da QCD, por exemplo, permite definir a razão entre as massas dos vários quarks (para cima, para baixo e estranho) através da combinação das massas do octeto de méson escalar nomodelo quark utilizando ateoria da perturbação chiral, dado
O fato de quemu ≠ 0 é importante, dado que estes não estão noproblema forte CP semu forem eliminadas. Os valores absolutos de massa foram atualmente determinados paraleis de soma QCD (também conhecido comoleis da somatória da função espectral) egrade QCD. A massa determinada desta maneira é conhecida comomassa corrente do quark. A conexão entre diferenças de massa corrente do quark necessita de mecanismo pleno derenormalização para estas especificações.
Outro, antigo, método de especificar a massa do quark foi usado nafórmula de massa de Gell-Mann-Nishijima nomodelo de quark, a qual relaciona a massa dohádron às massas do quark. A massa assim determinada é chamadamassa do quark constituinte, e é significantemente diferente da massa corrente do quark definida acima. A massa constituinte não tem qualquer significado dinâmico.
As massas dos quarks pesados, charme e inferior são obtidas das massas de hádrons que contêm um simples quark pesado (e um antiquark leve ou dois quarks leves) e da análise do seuquarkoma. Cálculos comgrade QCD usando ateoria do quark pesado influente (HQET em inglês) oucromodinâmica quântica não relativista (NRQCD em inglês) são usadas atualmente para determinar a massa destes quarks.
O quark top é suficientemente pesado para que aQCD de perturbação possa ser usada para determinar sua massa. Antes da sua descoberta em 1995, a melhor estimativa teórica da massa do quark topo foi obtida da análise global de testes de precisão doModelo Padrão. O quark topo, contudo, é o único entre os quarks que decai antes que se tenha uma chance de hadronizar. Portando, sua massa tem de ser indiretamente medida através do produto de seu decaimento. Isto pode ser feito somente em umTevatron o qual é o únicoacelerador de partícula com energia bastante para produzir quarks em abundância.
Os números quânticos aditivos de antiquarks são iguais em magnitude e opostos em sinal àqueles dos quarks. Asimetria CPT obriga-os a terem o mesmo spin e massa que seus quarks correspondentes. Testes de simetria CPT não podem ser realizados diretamente nos quarks e antiquarks devido ao confinamento, mas podem ser feitos nos hádrons. A notação de antiquarks segue à da antimatéria em geral: um quarkup é referido como, e um quarkanti-up é referido como.
Algumas evoluções do Modelo Padrão lançaram a ideia de que os quarks e os léptons têm uma subestrutura. Em outras palavras, este modelo assume que as partículas elementares do modelo padrão são de fato partículas compostas, feitas de algum outro constituinte elementar. Tais ideias estão abertas para a fase de testes experimentais, e estas teorias são severamente limitadas por falta de dados. Não há no momento atual nenhuma evidência desta subestrutura.
A noção de quarks evoluiu da classificação doshádrons desenvolvida independentemente em 1961 porMurray Gell-Mann eKazuhiko Nishijima, sendo atualmente denominada comomodelo quark. O esquema agrupa partículas com isospin e estranheza usando simetria unitária derivada daálgebra corrente, a qual nós reconhecemos hoje como parte de simetria quiral de QCD aproximada. Esta é uma simetria de saborSU(3) global, a qual não deve ser confundida com a simetria de calibre da QCD.
Neste esquema os mésons leves (spin-0) e os bárions (spin-½) foram agrupados em octetos,8, com simetria de sabor. A classificação dos bárions de spin-3/2 em uma representação10 produziu previsão de uma nova partícula, Ω−, a qual foi descoberta em 1964, levando à larga aceitação do modelo. A desejada representação3 foi identificada como quarks.
Este esquema ficou conhecido como "caminho óctuplo" (do inglêseightfold way) por Gell-Mann,[12] em uma clara referência ao octeto doNobre Caminho Óctuplo doBudismo. Ele também inventou o nomequark e atribuiu-lhe a sentença “Three quarks for Muster Mark” emFinnegans Wake deJames Joyce. Os resultados negativos dos experimentos de busca do quark levaram Gell-Mann a considerá-los como ficção matemática.
A análise de certas propriedades das reações de altas energias dos hádrons levouRichard Feynman a postular a existência de subestruturas nos hádrons, as quais foram chamadas depártons (pois elas são partes dos hádrons). Uma adaptação de seções transversais deespalhamento profundamente inelástico derivada da álgebra corrente porJames Bjorken recebeu uma explicação em termos de párton. Quandoadaptação de Bjorken foi verificada experimentalmente em 1969, foi imediatamente percebido que pártons e quarks poderiam ser a mesma coisa. Com a prova daliberdade assintótica na QCD em 1973 porDavid Gross,Frank Wilczek eDavid Politzer, esta concepção foi firmemente estabelecida.
O quark charmoso foi postulado porSheldon Glashow,John Iliopoulos eLuciano Maiani em 1973 para prevenir mudanças não físicas do sabor em decaimentos fracos, os quais deveriam de outra forma ocorrer segundo omodelo padrão. A descoberta em 1975 do méson que veio a ser denominado de J/ψ levou ao reconhecimento que ele seria composto de um quark charmoso e um antiquark.
A existência de uma terceira geração de quarks foi predita porMakoto Kobayashi eToshihide Maskawa em 1973, que entenderam que a observação da violação dasimetria CP porkaons neutros não poderia ser acomodada nomodelo padrão com duas gerações de quarks. O quark inferior foi descoberto em 1980 e o quark superior em 1996 no acelerador de partículasTevatron, doFermilab.
