Quark

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Quarks
Les tres boles acolorides (simbolitzant quarks) connectades per ones (simbolitzant gluons), tot dintre un cercle gris (simbolitzant un protó). Els colors de les boles són el vermell, el verd i el blau, en relació a les càrregues de color dels quarks. Les boles vermella i blava estan etiquetades com a "u" (quark amunt) i la verda com a "d" (quark avall).
Un protó, compost de dos quarks amunt i un quark avall. (L'assignació de colors dels quarks individuals no és important, però sí que tots tres hi han de ser presents.)
Composició Partícula elemental
Estadística Fermiònica
Generació 1a, 2a, 3a
Interaccions Electromagnètica, gravitatòria, forta, feble
Símbol q
Antipartícula Antiquark (q)
Teorització Murray Gell-Mann (1964)
George Zweig (1964)
Descoberta SLAC (~1968)
Tipus 6 (amunt, avall, estrany, encant, fons i cim)
Càrrega elèctrica +23 e, −13 e
Càrrega de color
Espín 12
Nombre bariònic 13
Esquema d'un neutró format per un quark amunt (u) i dos quarks avall (d), units per la força nuclear forta.
Un pió positiu (π+) és una partícula formada per un quark amunt (u) i un antiquark avall (\overline{d}) units per la força nuclear forta

En física de partícules, un quark és una partícula elemental i un component fonamental de la matèria. Els quarks es combinen per formar partícules compostes anomenades hadrons, els més estables dels quals són els protons i els neutrons, els components dels nuclis atòmics.[1] A causa d'un fenomen conegut com a confinament del color, els quarks no es poden observar directament ni es troben en solitari; es poden trobar només a dins d'hadrons, com ara els barions (dels quals, els protons i els neutrons en són exemples) i els mesons.[2][3] Per aquest motiu, la major part d'informació sobre els quarks s'ha extret d'obsevacions dels mateixos hadrons.

Els quarks tenen una sèrie de propietats intrínseques, entre aquestes càrrega elèctrica, massa, càrrega de color i espín. Els quarks són les úniques partícules elementals del model estàndard de física de partícules que experimenten les quatre forces fonamentals (electromagnetisme, gravetat, força nuclear forta i força nuclear feble), així com les úniques partícules amb una càrrega elèctrica que és una fracció de la càrrega elèctrica elemental (+23 o -13).

Hi ha sis tipus de quarks, coneguts com a sabors: dalt, baix, estrany, encant, fons i cim.[4] Els quarks dalt i baix tenen les menors masses d'entre tots els quarks. Els quarks més pesats canvien ràpidament entre quarks dalt i baix amb un procés de desintegració de partícules: la transformació d'un estat més alt de massa cap a un estat més baix de massa. Per aquest motiu, els quarks dalt i baix 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 involucren rajos còsmics i en acceleradors de partícules). Per cada sabor de quark existeix una antipartícula corresponent, coneguda com a antiquark, que només difereix del quark en què algunes de les seves propietats tenen la mateixa magnitud, però signe oposat.

El model de quarks fou proposat de forma independent pels físics Murray Gell-Mann i George Zweig el 1964.[5] Els quarks foren introduïts com a parts d'un esquema ordenador dels hadrons i hi hagué poques proves de la seva existència física fins als experiments de dispersió inelàstica profunda realitzats al SLAC National Accelerator Laboratory el 1968.[6][7] Els experiments de l'accelerador han proveït evidència per als sis sabors. El quark cim fou l'últim a ser descobert al Fermilab el 1995.[5]

Classificació[modifica | modifica el codi]

Sis de les partícules del model estàndard són quarks (en lila). Cada una de les tres primeres columnes forma una generació de matèria

El model estàndard de física de partícules és el marc teòric que descriu totes les partícules elementals conegudes. Aquest model conté sis sabors de quarks (q), anomenats dalt (u), baix (d), estrany (s), encant (c), fons (b) i cim (t).[4] Les antipartícules dels quarks s'anomenen antiquarks 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'altres càrregues tenen el signe oposat.[8]

Els quarks són partícules amb 12 d'espín, la qual cosa implica que són fermions segons el teorema d'estadística de l'espín. Estan sotmesos al principi d'exclusió de Pauli, que enuncia que no hi pot haver dos fermions idèntics ocupant simultàniament el mateix estat quàntic. Això contrasta amb els bosons (partícules amb espín enter), dels quals n'hi pot haver qualsevol quantitat en el mateix estat.[9] A diferència dels leptons, els quarks contenen càrrega de color, la qual cosa els immergeix en la força nuclear forta. L'atracció resultant entre els diferents quarks provoca la formació de partícules compostes conegudes per hadrons. Els quarks que determinen els nombres quàntics reben el nom de quarks de valència; a part d'aquests, qualsevol hadró pot contenir un nombre indefinit de quarks virtuals, antiquarks i gluons que no influeixen en els seus nombres quàntics.[10] Hi ha dues famílies d'hadrons: barions, amb tres quarks de valència, i mesons, amb un quark de valència i un antiquark.[11] Els barions més comuns són el protó i el neutró, els blocs de construcció del nucli atòmic.[12] Es coneix un gran nombre d'hadrons (vegeu llista de barions i llista 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 els tetraquarks (qqqq) i els pentaquarks (qqqqq), s'ha conjecturat[13] però no s'ha demostrat.[nota 1][13][14]

Els fermions elementals s'agrupen en tres generacions, 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 per 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.[nota 2][16] 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 la força nuclear feble. Comunament, en la natura, només podem trobar quarks de primera generació (dalt i baix). Els quarks més pesats només es poden crear en col·lisions altament energètiques (com les que involucren raigs còsmics) i es desintegren ràpidament; tanmateix, es creu que hi eren presents durant les primeres fraccions de segon posteriors al Big Bang, quan l'univers estava en una fase extremadament calenta i densa (l'època dels quarks). Els estudis de quark més pesats es condueixen en condicions creades artificialment, com ara en acceleradors de partícules.[17]

Els quarks tenen càrrega elèctrica, massa, càrrega de color i sabor; en conseqüència, són les úniques partícules conegudes de les quatre forces 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 la gravetat quàntica, la gravitació no està descrita per al model estàndard.

Taula de propietats[modifica | modifica el codi]

Vegeu també: Sabor (física)

La taula següent és un sumari de les propietats clau dels sis quarks. Els nombres quàntics amb aromaisospín (I3), encant (C), estranyesa (S, no confongueu amb espín), veritat (T) i bellesa (B′)– estan assignats a un cert sabor de quark i denoten qualitats de sistemes formats per quarks i hadrons. El nombre bariònic (B) és +13 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, and B′) són del signe oposat. La massa i el moment angular total (J; igual a l'espín en el cas de les partícules puntuals) no canvien de signe pels antiquarks.

Propietats dels sabors de quark[18]
Nom Símbol Massa (MeV/c2)* J B Q I3 C S T B′ Antipartícula Símbol de l'antipartícula
Primera generació
Dalt u 1.7 a 3.1 12 +13 +23 +12 0 0 0 0 Antidalt u
Baix d 4.1 a 5.7 12 +13 13 12 0 0 0 0 Antibaix d
Segona generació
Encant c 1.290+50
−110
12 +13 +23 0 +1 0 0 0 Antiencant c
Estrany s 100+30
−20
12 +13 13 0 0 −1 0 0 Antiestrany s
Tercera generació
Cim t 172.900±600 ± 900 12 +13 +23 0 0 0 +1 0 Anticim t
Fons b 4.190+180
−60
12 +13 13 0 0 0 0 −1 Antifons b
J = moment angular total, B = nombre bariònic, Q = càrrega elèctrica, I3 = isospín, C = encant, S = estranyesa, T = veritat, B′ = bellesa.
* La notació de l'estil 4.190+180
−60
denota incertesa de mesura. En el cas del quark cim, la primera incertesa és estadística a la natura, i la segona és sistemàtica.

Etimologia[modifica | modifica el codi]

Segons Markus Thoma, Murray Gell-Mann (Premi Nobel del 1969) hauria creat la paraula quark fent referència a uns versos de James Joyce (1882-1941), inclosos en la novel·la Finnegans Wake, en què es pot llegir: "Three quarks for Muster Mark". El significat d'aquesta paraula no està gens clar. Joyce podria haver convertit "quart" (un quart de litre de cervesa), en "quark", per la seva semblança fonètica, però també es podria tractar de "squawk", que significa 'grall', o podria fer referència al formatge untable en porcions triangulars, que ha inspirat també les fitxes del Trivial Pursuit. Mentre Richard Feynman hi proposà "parton" al·ludint a Dolly Parton, la cantant de country.[19]

Notes[modifica | modifica el codi]

  1. 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.
  2. 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 excedir 2 MeV/c2

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. «Quark (subatomic particle)». Encyclopædia Britannica. [Consulta: 29 juny 2008].
  2. R. Nave. «Confinement of Quarks». HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. [Consulta: 29 juny 2008].
  3. R. Nave. «Bag Model of Quark Confinement». HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. [Consulta: 29 juny 2008].
  4. 4,0 4,1 R. Nave. «Quarks». HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. [Consulta: 29 juny 2008].
  5. 5,0 5,1 B. Carithers, P. Grannis. «Discovery of the Top Quark» (PDF). Beam Line. SLAC, 25, 3, 1995, pàg. 4–16 [Consulta: 23 setembre 2008].
  6. E.D. Bloom; Destaebler; Drees; Miller; and others. «High-Energy Inelastic ep Scattering at 6° and 10°». Physical Review Letters, 23, 16, 1969, pàg. 930–934. Bibcode: 1969PhRvL..23..930B. DOI: 10.1103/PhysRevLett.23.930.
  7. M. Breidenbach; Kendall; Bloom; Coward; and others. «Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering». Physical Review Letters, 23, 16, 1969, pàg. 935–939. Bibcode: 1969PhRvL..23..935B. DOI: 10.1103/PhysRevLett.23.935.
  8. S.S.M. Wong. Introductory Nuclear Physics. 2a ed.. Wiley Interscience, 1998, p. 30. ISBN 0-471-23973-9. 
  9. K.A. Peacock. The Quantum Revolution. Greenwood Publishing Group, 2008, p. 125. ISBN 0-313-33448-X. 
  10. B. Povh, C. Scholz, K. Rith, F. Zetsche. Particles and Nuclei. Springer, 2008, p. 98. ISBN 3-540-79367-4. 
  11. Secció 6.1. a P.C.W. Davies. The Forces of Nature. Cambridge University Press, 1979. ISBN 0-521-22523-X. 
  12. 12,0 12,1 M. Munowitz. Knowing. Oxford University Press, 2005, p. 35. ISBN 0-19-516737-6. 
  13. 13,0 13,1 W.-M. Yao (Particle Data Group); Asner; Barnett; Beringer; and others. «Review of Particle Physics: Pentaquark Update». Journal of Physics G, 33, 1, 2006, pàg. 1–1232. arXiv: astro-ph/0601168. Bibcode: 2006JPhG...33....1Y. DOI: 10.1088/0954-3899/33/1/001.
  14. C. Amsler (Particle Data Group); Doser; Antonelli; Asner; and others. «Review of Particle Physics: Pentaquarks». Physics Letters B, 667, 1, 2008, pàg. 1–1340. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. DOI: 10.1016/j.physletb.2008.07.018.
    C. Amsler (Particle Data Group); Doser; Antonelli; Asner; and others. «Review of Particle Physics: New Charmonium-Like States». Physics Letters B, 667, 1, 2008, pàg. 1–1340. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. DOI: 10.1016/j.physletb.2008.07.018.
    E.V. Shuryak. The QCD Vacuum, Hadrons and Superdense Matter. World Scientific, 2004, p. 59. ISBN 981-238-574-6. 
  15. C. Amsler (Particle Data Group); Doser; Antonelli; Asner; and others. «Review of Particle Physics: b′ (4th Generation) Quarks, Searches for». Physics Letters B, 667, 1, 2008, pàg. 1–1340. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. DOI: 10.1016/j.physletb.2008.07.018.
    C. Amsler (Particle Data Group); Doser; Antonelli; Asner; and others. «Review of Particle Physics: t′ (4th Generation) Quarks, Searches for». Physics Letters B, 667, 1, 2008, pàg. 1–1340. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. DOI: 10.1016/j.physletb.2008.07.018.
  16. D. Decamp; Deschizeaux, B.; Lees, J.-P.; Minard, M.-N.; Crespo, J.M.. «Determination of the number of light neutrino species». Physics Letters B, 231, 4, 1989, pàg. 519. Bibcode: 1989PhLB..231..519D. DOI: 10.1016/0370-2693(89)90704-1.
    A. Fisher. «Searching for the Beginning of Time: Cosmic Connection». Popular Science, 238, 4, 1991, pàg. 70.
    J.D. Barrow. «The Singularity and Other Problems». A: The Origin of the Universe. Reprint. Basic Books, 1997. ISBN 978-0-465-05314-8. 
  17. D.H. Perkins. Particle Astrophysics. Oxford University Press, 2003, p. 4. ISBN 0-19-850952-9. 
  18. K. Nakamura et al. (Particle Data Group), JP G 37, 075021 (2010) and 2011 partial update for the 2012 edition (URL: http://pdg.lbl.gov)
  19. Thoma, Markus. «¿Existen estrellas de quarks?». Falta indicar la publicació, Octubre 2007. Investigación y Ciencia.