¿Qué son los quaks?

Los quarks, también conocidos como cuarks, son partículas elementales masivas que se unen por medio de la fuerza nuclear fuerte para formar la materia del núcleo atómico y hadrones. Así, por ejemplo, los neutrones y los protones están compuestos por tres quarks cada uno. Estas partículas, junto con los leptones, conforman la materia bariónica; es decir, la materia del universo que conocemos, distinta a la antimateria. De todas las partículas fundamentales, estas son las únicas que pueden interactuar con las cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Estas partículas tienen un espín ½ (momento angular intrínseco de valor fijo) y son consideradas como fermiones de Dirac, por lo que se teoriza que cada una tiene su antipartícula.

Ciertas investigaciones señalan que los quarks no podrían encontrarse en estado libre sino siempre confinados en grupos, fenómeno conocido como confinamiento de color; aunque esto todavía no está probado. Mientras los quarks u y d se caracterizan por su estabilidad, los quarks s, c, t y b tienen la suficiente masa como para decaer y convertirse en otros quarks mediante la interacción débil. Además de los hadrones, los Zweig y Gell-Man han propuesto que pueden existir partículas con un número mayor de quarks, como los tetraquarks, los pentaquarks y las moléculas hadrónicas. Evidencia de pentaquarks se descubrió experimentalmente en el año 2003 y una década después fue confirmado con el Gran Colisionador de Hadrones en 2015.

El descubrimiento de los quarks se remonta a 1960, cuando el físico teórico estadounidense Richard Phillips Feynman postuló que lo más probable es que los protones estuvieran compuestos por subestructuras, pues estos poseían una distribución suave de carga dentro de sí. Así, denominó a estas partículas como partones, pues eran parte de los hadrones. Entre 1967 y 1973, se llevaron a cabo experimentos en el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) con el propósito de estudia acerca de la dispersión electrón-protón y descubrir cómo se distribuía la carga de este último. Así, James Bjorken propuso que, en las colisiones inelásticas de electrones y protones, la forma en que se dispersaba el protón estaba determinada por pequeñas partículas que lo componía y que tenían un spin ½. Esto fue comprobado en el SLAC por los científicos Friedmann, Taylor y Kendall, quienes ganaron el premio Nobel de Física en 1990 por ello.

Esto después fue confirmado en el CERN, demostrando que los partones y los quarks del SLAC eran lo mismo. Durante mucho tiempo se pensó que solamente exitían tres tipos de quark: el arriba, el abajo y el extraño. Sin embargo, en 1970 los científicos John Lliopoulos, Sheldon Glashow y Luciano Maianicon sugirieron la extiencia de un quark encantado que impidiera los cambios no físicos de sabor durante las desintegraciones débiles del modelo estándar. Cuatro años después se descubrió el mesón J/psi (gypsi), que resultó estar compuesto de este tipo de quark y de su antiquark, respectivamente. Poco después, Toshihide Maskawa y Makoto Kobayashi predijeron la existencia de otros dos tipos de quarks: el cima y el fondo, que harían parte de la tercera generación de partículas. Estos finalmente fueron descubiertos en 1977 y 1995, respectivamente.

¿Cuáles son los tipos de quarks?

En la actualidad se conocen seis distintos sabores o tipos de quarks, cada uno de los cuales posee un número cuántico dentro del modelo de quarks. Estos sabores son:

  • Quark u: también conocido como quark arriba o quark up, es aquel quark con un spin de +1/2 y una carga eléctrica de +2/3. Su masa es de 1,7-3,1 MeV/c2 y hace parte del primera generación de partículas.
  • Quark d: también conocido como quark abajo o quark down, es aquel quark con un spin de ½ y una carga eléctrica de -1/3. Su masa es de 4-8 MeV/c2 y hace parte del primera generación de partículas.
  • Quark c: también conocido como quark encantado o quark charm, es aquel quark con un spin de ½ y una carga eléctrica de +2/3. Su masa es de 1150-1350 MeV/c2 y hace parte de la segunda generación de partículas.
  • Quark s: también conocido como quark extraño o quark strange, es aquel quark con un spin de ½ y una carga eléctrica de -1/3. Su masa es de 80-130 MeV/c2 y hace parte de la segunda generación de partículas.
  • Quark t: también conocido como quark cima/verdad o quark top/truth, es aquel quark con un spin de ½ y una carga eléctrica de +2/3. Su masa es de 173,34 ± 0,76 MeV/c2 y hace parte de la tercera generación de partículas.
  • Quark b: también conocido como quark fondo/belleza o quark bottom/beauty, es aquel quark con un spin de ½ y una carga eléctrica de -1/3. Su masa es de 4,19 MeV/c2 y hace parte de la tercera generación de partículas.