Quarks

Te explicamos qué son los quarks, cómo se descubrieron y qué es el modelo de quarks. Además, otras partículas subatómicas.

¿Qué son los quarks?

Los quarks o cuarks son un tipo de partícula subatómica elemental, que entra dentro de la categoría de los fermiones, y cuyas fuertes interacciones constituyen la materia de los núcleos atómicos. Su nombre proviene de la novela Finnegan’s Wake del autor irlandés James Joyce.

Los quarks son las partículas de las que protones y neutrones están hechos, así como otros tipos de partículas minúsculas llamadas hadrones.

Estos términos pueden resultar confusos, pero no hace falta entenderlos a niveles tan técnicos para saber qué es un quark: las partículas más diminutas de la materia, que interactúan libremente con las cuatro fuerzas físicas elementales: fuerza gravitatoria, fuerza electromagnética, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil.

Junto con los leptones, los quarks son los ladrillos mismos de la materia. Del mismo modo en que existe materia y antimateria, existen también quarks y antiquarks.

Además, existen seis tipos o “sabores” de quark. Así pueden construirse todos los mesones y bariones de la materia, o sea, más de 200 partículas subatómicas diferentes, mediante la combinación de tres quarks (o antiquarks) distintos (bariones), o un quark-antiquark (mesones), unidos por interacciones fuertes.

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Descubrimiento de los quarks

Durante muchas décadas se supuso que los protones, neutrones y electrones eran las partículas fundamentales de la materia, es decir, que nada podía existir más pequeño que ellas.

Sin embargo, el estudio de los llamados nucleones (neutrones y protones, habitantes del núcleo del átomo) demostraba que su tamaño era muy superior al de los electrones y que ello podía suponer que estarían conformados a su vez por algo más pequeño y simple. Los quarks vinieron a responder dicha pregunta.

Simultáneamente, fueron propuestos en 1964 por Murray Gell-Mann y George Zweig, aunque de manera totalmente independiente. Estos científicos observaron la necesidad de que los quarks existieran por la naturaleza de la interacción fuerte entre partículas del núcleo atómico.

Además, muchas de sus propiedades eran inexplicables a menos que hubiera estructuras internas dentro de protones y neutrones. Así, se propuso la existencia de tres partículas más pequeñas, llamadas quorks (posteriormente quarks, aunque Zweig propuso inicialmente el nombre aces o “ases”), que tendrían una carga eléctrica de 1/3 y 2/3 de carga.

Esta hipótesis se comprobó experimentalmente en SLAC (Stanford Linear Accelerator Center o “Centro de Stanford del Acelerador Lineal) en los años posteriores. Pero el experimento señaló que no eran tres sino seis las partículas que podían componer a los protones y neutrones. Por este descubrimiento, Taylor, Kendall y Friedman ganaron en 1990 el premio Nobel de Física.

Modelo de quarks

Dentro del modelo estándar de la materia que manejamos hoy en día, los quarks ocupan el lugar más simple de la materia.

Dependiendo del tipo de quarks que combinemos, podremos obtener diversos tipos de partículas, de acuerdo a la regla de clasificación de hadrones (el llamado “Modelo de quarks”), que establece seis tipos distintos de quark (o flavours, “sabores”), cada uno dotado de un “número cuántico” que define su carga eléctrica:

• Arriba (up). Dotado de un isospín +1/2 como número cuántico.
• Abajo (down). Dotado de un isospín -1/2 como número cuántico.
• Encanto (charm). Dotado de un encanto +1 como número cuántico.
• Extraño (strange). Dotado de una extrañeza -1 como número cuántico.
• Tope (top) o verdad (truth). Dotado de una superioridad (topness) +1.
• Fondo (bottom) o belleza (beauty). Dotado de una inferioridad (bottomness) -1.

Todo esto puede lucir muy extraño y parecer sacado de un videojuego, pero tiene sentido dentro del modelo de quarks, si pensamos que estas partículas minúsculas se juntan en tripletes o tríadas para formar diferentes tipos de partículas subatómicas de mayor tamaño.

Cuando la suma de sus cargas da números enteros, forman hadrones.

A ello habría que añadir, no obstante, que los quarks pueden tener tres tipos más de carga, que es el “color”. No se trata realmente del color, sin embargo, sino que ese es el nombre que le pusieron los científicos a esta propiedad que es un tipo de afinidad, responsable de la atracción nuclear fuerte (mediante otra partícula más llamada “gluones”).

Estos colores pueden ser azul, verde o rojo, y es lo que distingue, por ejemplo, a los neutrones y protones de los electrones (partículas de tipo leptón), ya que estos últimos no están hechos de quarks y no sienten la interacción nuclear fuerte, sino la débil.

Según este modelo, las partículas fundamentales de la materia son los quarks y los leptones.

Otras partículas subatómicas

Otros tipos de partículas subatómicas son:

• Fermiones. Junto con los bosones, son las partículas fundamentales de la materia, caracterizadas por tener un espín o momento angular semi-entero (1/2, 3/2, etc.). Existen solo dos tipos de fermiones: los quarks y los leptones.
• Leptones. Son un tipo de fermión, dotado de espín ½ (ya sea + o -) y que no experimenta, a diferencia de los quarks, la interacción nuclear fuerte de la materia. Existen seis tipos de leptones: electrones, muónes, taus, neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y tau neutrinos. Los tres primeros tienen carga eléctrica +1 o -1, y los demás carga 0.
• Bosones. Junto a los fermiones, son las partículas fundamentales de la materia, caracterizadas por tener un espín entero (0, 1, 2, etc.) y no cumplen con el principio de exclusión de Pauli. Son ejemplos de bosones los fotones, gluones o gravitones, o sea, partículas que entrañan las fuerzas conocidas.
• Mesones. Son bosones, es decir, hadrones de espín entero 0 o 1, que responden a la interacción nuclear fuerte, por lo que están hechos de quarks, de acuerdo al estado quark-antiquark.
• Bariones. Están compuestos por tres quarks y sus ejemplos más representativos son el neutrón y el protón, aunque también existen otros tipos, sumamente inestables.

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Referencias

• “Quark” en Wikipedia.
• “Modelo de quarks” en Wikipedia.
• “Los quarks” en Astrojem.
• “Quarks” en Hyperphisics. (español)
• “La revolución de los quarks” en El País. (España)
• “Fifty years of quarks” en CERN.
• “What are quarks?” (video) en Fuse School.
• “Quark (subatomic particle)” en The Encyclopaedia Britannica.