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¿Que son los quarks?


Un quark es un tipo de partícula elemental y un componente fundamental de la materia. Los quarks se combinan para formar partículas compuestas llamadas hadrones, los más estables son los protones y neutrones; los componentes de los núcleos atómicos. Debido a un fenómeno conocido como confinamiento de color, los quarks nunca se observan directamente; solo se pueden encontrar dentro de los hadrones, que incluyen bariones (como protones y neutrones) y mesones. Por esta razón, gran parte de lo que se sabe acerca de los quarks se ha extraído de las observaciones de los hadrones.

Los quarks tienen varias propiedades intrínsecas, que incluyen carga eléctrica, masa, carga de color y giro. Son las únicas partículas elementales en el Modelo Estándar de la física de partículas que experimentan las cuatro interacciones fundamentales, también conocidas como fuerzas fundamentales (electromagnetismo, gravitación, interacción fuerte e interacción débil), así como las únicas partículas conocidas cuyas cargas eléctricas no son múltiplos enteros de la carga elemental.

Hay seis tipos de quarks: arriba, abajo, extraño, encanto, inferior y superior. Los quarks arriba y abajo tienen las masas más bajas de todos los quarks. Los quarks más pesados se transforman rápidamente en quarks de arriba y abajo a través de un proceso de descomposición de partículas: la transformación de un estado de masa superior a un estado de masa inferior. Debido a esto, los quarks ascendentes y descendentes son generalmente estables y los más comunes en el universo, mientras que los quarks extraños, encantadores, inferiores y superiores solo pueden producirse en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y aceleradores de partículas). Para cada tipo de quark hay un tipo correspondiente de antipartícula, conocido como antiquark, que difiere del quark en que algunas de sus propiedades (como la carga eléctrica) tienen igual magnitud, pero signo opuesto.

El Modelo de Quarks fue propuesto de forma independiente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964. Los quarks se introdujeron como parte de un esquema de ordenación para los hadrones, y hubo poca evidencia de su existencia física hasta los experimentos de dispersión inelástica profunda en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford en 1968. Los experimentos con aceleradores han proporcionado evidencia de los seis tipos de quarks. El quark superior (cima), observado por primera vez en Fermilab en 1995, fue el último en ser descubierto.

El Modelo Estándar es el marco teórico que describe todas las partículas elementales conocidas actualmente. Este modelo contiene seis tipos de quarks (q), nombrados como:

Arriba (u) = up
Abajo (d) = down
Extraño (s) = strange
Encanto (c) = charm
Inferior (b) = botton
Superior (t) = top

Las antipartículas de los quarks se denominan antiquarks y se indican mediante una barra ( - ) sobre el símbolo del quark correspondiente. Al igual que con la antimateria en general, los antiquarks tienen la misma masa, vida media y giro que sus quarks respectivos, pero la carga eléctrica y otras cargas tienen el signo opuesto.

Espín -½

En la mecánica cuántica, el espín es una propiedad intrínseca de todas las partículas elementales. Un solo punto en el espacio puede girar continuamente sin enredarse. Observe que después de una rotación de 360 °, la espiral se desplaza entre las orientaciones en sentido horario y antihorario. Vuelve a su configuración original después de girar un total de 720 °.

Los quarks son partículas de espín -½, lo que implica que son fermiones según el teorema de las estadísticas del espín. Están sujetos al principio de exclusión de Pauli, que establece que no hay dos fermiones idénticos que puedan ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. Esto contrasta con los bosones (partículas con giro entero), de los cuales cualquier número puede estar en el mismo estado. A diferencia de los leptones, los quarks poseen carga de color, lo que hace que se involucren en la Interacción Nuclear Fuerte. La atracción resultante entre los diferentes quarks causa la formación de partículas compuestas conocidas como hadrones.

Los quarks que determinan los números cuánticos de hadrones se denominan quarks de valencia; Aparte de estos, cualquier hadrón puede contener un número indefinido de quarks virtuales, antiquarks y gluones, que no influyen en sus números cuánticos.

Hay dos familias de hadrones: bariones, con tres quarks de valencia, y mesones, con un quark de valencia y un antiquark. Los bariones más comunes son el protón y el neutrón, los bloques de construcción del núcleo atómico. Se conoce una gran cantidad de hadrones, la mayoría de ellos diferenciados por su contenido de quarks y las propiedades que confieren estos quarks constituyentes. La existencia de hadrones "exóticos" con más quarks de valencia, como tetraquarks y pentaquarks, se conjeturó desde los inicios del Modelo de quarks pero no se descubrió hasta principios del siglo XXI.

Los fermiones elementales se agrupan en tres generaciones, cada una compuesta por dos leptones y dos quarks. La primera generación incluye quarks arriba y abajo, la segundo incluye quarks extraño y encanto, y el tercero incluye quarks inferior y superior. La búsqueda de una cuarta generación de quarks y otros fermiones elementales han fallado, y existe una fuerte evidencia indirecta de que no existen más de tres generaciones.

Las partículas en las generaciones más altas generalmente tienen mayor masa y menos estabilidad, lo que las hace descomponerse en partículas de menor generación por medio de interacciones débiles. Solo los quarks de primera generación (arriba y abajo) ocurren comúnmente en la naturaleza. Los quarks más pesados solo se pueden crear en colisiones de alta energía (como en aquellas que involucran rayos cósmicos), y se descomponen rápidamente; sin embargo, se cree que estuvieron presentes durante las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, cuando el universo estaba en una fase extremadamente caliente y densa: la época de los quarks. Los estudios de los quarks más pesados se realizan en condiciones creadas artificialmente, como en los aceleradores de partículas.

Teniendo carga eléctrica, masa, color y sabor, los quarks son las únicas partículas elementales conocidas que se involucran en las cuatro interacciones fundamentales de la física contemporánea: electromagnetismo, gravitación, interacción nuclear fuerte y nuclear débil. La gravitación es demasiado débil para ser relevante para las interacciones de partículas individuales, excepto en extremos de energía (Energía de Planck) y escalas de distancia (Distancia de Planck). Sin embargo, dado que no existe una teoría cuántica exitosa de la gravedad, la gravitación no está descrita por el Modelo Estándar.

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