11.3 Cuarks

Combinaciones de cuarks

Como se ha mencionado anteriormente, los cuarks se unen en grupos de dos o tres para formar hadrones. Los bariones están formados por tres cuarks. Las muestras de bariones, incluido el contenido y las propiedades de los cuarks, se indican en la Tabla 11.4. Curiosamente, el barión delta más (${\text{Δ}}^{+}$) está formado por los mismos tres cuarks que el protón, pero el espín total de la partícula es 3/2 en lugar de 1/2. Del mismo modo, la masa de ${\text{Δ}}^{+}$ con espín 3/2 es 1,3 veces la masa del protón, y el barión delta cero (${\text{Δ}}^0$) con un espín 3/2 es 1,3 veces la masa del neutrón. Evidentemente, la energía asociada al espín (o momento angular) de la partícula contribuye a su energía de masa. También es que no se cree que existan bariones con cuarks top, porque los cuarks top decaen demasiado rápido para unirse a los otros cuarks en su producción.

Los mesones están formados por dos cuarks que conforman un par cuark-anticuark. Los mesones de muestra, incluido el contenido y las propiedades de los cuarks, figuran en la Tabla 11.5. Consideremos la formación del pion (${\pi }^{+}=u\stackrel{\text{−}}{d}$). Con base en su contenido de cuarks, la carga del pion es

Ambos cuarks son de medio espín ($s=\mathrm{½}$), por lo que el espín resultante es 0 o 1. El espín del mesón ${\pi }^{+}$ es 0. La misma combinación cuark-anticuark da el mesón rho ($\rho$) con espín 1. Este mesón tiene una masa aproximadamente 5,5 veces la del mesón ${\pi }^{+}$.

Color

Los cuarks son fermiones que obedecen el principio de exclusión de Pauli, por lo que es sorprendente saber que tres cuarks pueden unirse dentro de un núcleo. Por ejemplo, ¿cómo pueden existir dos cuarks arriba en la misma pequeña región del espacio dentro de un protón? La solución es inventar una tercera propiedad nueva para distinguirlas. Esta propiedad se llama color, y juega el mismo papel en la interacción nuclear fuerte que la carga en las interacciones electromagnéticas. Por esta razón, el color de los cuarks se llama a veces "carga fuerte".

Los cuarks son de tres colores: rojo, verde y azul. (Estas son solo marcas, los cuarks no tienen color). Cada tipo de cuark $(u,d,c,s,b,t)$ puede ser de cualquier otro color. Por ejemplo, existen tres cuarks extraños: un cuark extraño rojo, un cuark extraño verde y un cuark extraño azul. Los anticuarks tienen anticolor. Los cuarks que se unen para formar hadrones (bariones y mesones) deben ser de color neutro, incoloro o "blanco". Por lo tanto, un barión debe contener un cuark rojo, azul y verde. Asimismo, un mesón contiene un par de cuarks rojo-antirojo, azul-antiazul o verde-antiverde. Así, dos cuarks pueden encontrarse en el mismo estado de espín en un hadrón, sin violar el principio de exclusión de Pauli, porque sus colores son diferentes.

Confinamiento de cuarks

Las primeras pruebas sólidas de la existencia de los cuarks proceden de una serie de experimentos realizados en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC) y en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) hacia 1970. Este experimento se diseñó para sondear la estructura del protón, al igual que Rutherford estudió la estructura del interior del átomo con sus experimentos de dispersión de partículas $\text{α}$. Los electrones colisionaron con protones con energía superior a 20 GeV. Con esta energía, $E\approx pc$, por lo que la longitud de onda de De Broglie de un electrón es

La longitud de onda del electrón es mucho menor que el diámetro del protón (aproximadamente ${10}^{\mathrm{-15}}\text{m})\text{.}$ Por lo tanto, al igual que un automóvil que viaja a través de una cordillera rocosa, los electrones pueden utilizarse para sondear la estructura del núcleo.

Los experimentos del SLAC descubrieron que algunos electrones se desviaban en ángulos muy grandes, lo que indicaba la existencia de pequeños centros de dispersión dentro del protón. La distribución de la dispersión era consistente con la dispersión de los electrones desde sitios con espín 1/2, el espín de los cuarks. Los experimentos del CERN utilizaron neutrinos en lugar de electrones. Este experimento también encontró pruebas de los diminutos centros de dispersión. En ambos experimentos, los resultados sugieren que las cargas de las partículas de dispersión eran $+2\text{/}3e$ o $\text{−}1\text{/}3e$, conforme con el modelo de cuarks.

El modelo de los cuarks ha tenido mucho éxito a la hora de organizar el complejo mundo de las partículas subatómicas. Sin embargo, es interesante que ningún experimento haya producido un cuark aislado. Todos los cuarks tienen carga fraccionaria y, por tanto, deberían ser fácilmente distinguibles de las partículas elementales conocidas, cuyas cargas son todas un múltiplo entero de e. ¿Por qué no se observan cuarks aislados? En los modelos actuales de interacciones de partículas, la respuesta se expresa en términos de confinamiento de cuarks. El confinamiento de cuarks se refiere al confinamiento de cuarks en grupos de dos o tres en una pequeña región del espacio. Los cuarks tienen total libertad para moverse en este espacio y enviar y recibir gluones (los portadores de la fuerza fuerte). Sin embargo, si estos cuarks se alejan demasiado unos de otros, la fuerza fuerte los hace retroceder. Esta acción se asemeja a una boleadora, un arma utilizada para la caza (Figura 11.5). Las piedras están atadas a un punto central mediante una cuerda, de modo que ninguna de las rocas puede alejarse demasiado de las demás. La boleadora corresponde a un barión, las piedras a los cuarks y la cuerda a los gluones que mantienen unido el sistema.

Figura 11.5 Un barión es análogo a una boleadora, un arma utilizada para la caza. Las rocas de esta imagen corresponden a los cuarks bariónicos. Los cuarks son libres de moverse pero deben permanecer cerca de otros cuarks.