Quarks: qué son, descubrimiento y tipos

Los quarks son partículas fundamentales para la constitución de la materia. Son componentes básicos de los protones y neutrones, que a su vez forman el núcleo atómico. A diferencia de los protones y neutrones, que son partículas compuestas, los quarks son indivisibles según el conocimiento actual de la física de partículas.

Siguiendo el Modelo Estándar existen seis tipos de quarks, conocidos como sabores. Entre ellos se encuentran u (up), d (down), s (strange), c (charm), t (bottom) y b (top). Cada uno de estos sabores tiene una carga eléctrica diferente, siendo los quarks u, c y b de carga +2/3, mientras que los quarks d, s y t tienen una carga de -1/3. Además, estos quarks también poseen una masa de valor ascendente siguiendo el orden indicado al inicio del párrafo.

Los quarks interactúan a través de tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la interacción fuerte, la interacción débil y la fuerza electromagnética. La interacción fuerte es la más importante para los quarks, ya que es la responsable de mantenerlos unidos dentro de los protones y neutrones. Esta fuerza es mediada por partículas llamadas gluones.

Conceptos como la Cromodinámica Cuántica o CDC, que sería similar a la carga eléctrica dentro del campo del electromagnetismo, ayudan a explicar el importante papel de la interacción fuerte que rige el comportamiento físico de los quarks. En estos casos las fuerzas de interacción entre los quarks aumentan con la distancia, mientras que en distancias extremadamente cortas las fuerzas de interacción son tan pequeñas que los quarks pueden moverse libremente.

Este fenómeno se conoce como libertad asintótica y junto a las premisas de la interacción fuerte explica por qué los quarks libres no existen en la naturaleza. Sin embargo, la misma CDC concibe la existencia de quarks libres bajo condiciones extremas de temperatura y densidad. Esto requeriría temperaturas superiores a las alcanzadas en los núcleos de las estrellas o aceleradores de alta energía.

Siguiendo esta línea, los colisionadores de partículas como el RHIC o LHC pueden alcanzar energías lo bastante elevadas para superar el confinamiento propio de los quarks promovido por esa interacción fuerte y, por ende, separar estas partículas subatómicas temporalmente. Sea como fuere, el continuo estudio en este campo nos asegura una compresión más profunda de la materia elemental y la evolución del universo primitivo.

El concepto de quark fue propuesto por primera vez en 1964 por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig, de manera independiente. Ambos científicos sugerían que las partículas conocidas como hadrones, que incluyen a los protones y neutrones, no eran indivisibles, sino que estaban formadas por combinaciones de partículas más pequeñas, a las que Gell-Mann llamó quarks.

El nombre quark fue elegido por Gell-Mann, inspirado en una línea del libro Finnegans Wake de James Joyce: Three quarks for Muster Mark. Inicialmente, se postuló la existencia de tres tipos de quarks: u (up), d (down) y s (strange).

Los primeros éxitos experimentales que evidenciaban la existencia de varios tipos de partículas subatómicas más pequeñas comenzaron a mediados de los años 50. No obstante, la evidencia experimental para los quarks comenzó a acumularse a finales de los años 60 y principios de los 70, especialmente con los experimentos de dispersión de electrones en el acelerador de partículas de Stanford (SLAC), que mostraron indicios de estructuras internas en los protones y neutrones.

Para ello, se aceleraron electrones que tras adquirir una alta energía se dirigieron hacia un blanco de protones. El objetivo era medir la desviación causada por el choque de las partículas. Gracias a ello se obtuvo un patrón de dispersión que no se podía explicar a menos que se considerase a los protones partículas divisibles, dando la evidencia experimental de una estructura subatómica de rango inferior a los protones.

El modelo de quarks se desarrolló para explicar la estructura interna de los hadrones. Según este modelo, los hadrones están compuestos por combinaciones de quarks. Los mesones, por ejemplo, están formados por un quark y un antiquark, mientras que los bariones, como los protones y neutrones, están formados por tres quarks.

Una característica importante de los quarks es que nunca se encuentran aislados en condiciones naturales; siempre están confinados dentro de hadrones debido a la naturaleza de la interacción fuerte. Como ya se ha comentado, este fenómeno se conoce como confinamiento de color, y es una consecuencia de la teoría de cromodinámica cuántica, que describe la interacción fuerte.

Por tanto, los quarks poseen una propiedad llamada carga de color, que es análoga a la carga eléctrica, pero viene en tres tipos diferentes: rojo, verde y azul. Los hadrones siempre son neutrales de color, lo que significa que contienen una combinación de quarks que cancela sus cargas de color. Para alcanzar la neutralidad de color los quarks precisan de la absorción y emisión de gluones, partículas mediadoras que permiten la transferencia de color entre los quarks.

Como se mencionó anteriormente, existen seis sabores de quarks, cada uno con características y propiedades distintas. A continuación, se describen brevemente cada uno de estos tipos:

• Quark u (up): es el quark más ligero con una masa entre 1,5-4 MeV y uno de los más comunes, con una carga eléctrica de +2/3. Forma parte de los protones y neutrones.
• Quark d (down): también común y ligero, entre valores de 4 a 8 MeV y con una carga de -1/3. Al igual que el quark up, es un componente esencial de los protones y neutrones.
• Quark s (strange): más pesado que los quarks up y down, con una carga de -1/3. Es responsable de la formación de partículas extrañas observadas en rayos cósmicos y en experimentos de alta energía. Su masa queda comprendida entre 80-130 MeV.
• Quark c (charm): tiene una carga de +2/3 y es más pesado que el quark strange alcanzado valores entre 1150-1350 MeV. Fue descubierto en experimentos de colisiones de partículas en la década de 1970.
• Quark t (bottom): de carga -1/3, es aún más pesado que el quark charm. Su masa queda comprendida entre los 4100 y 4400 MeV. Su existencia fue confirmada en la década de 1970.
• Quark b (top): es el quark más pesado con diferencia con una estimación de 170900 MeV con margen de error de 1800 MeV. La carga positiva alcanca un valor de +2/3. Fue el último en ser descubierto, en 1995, en experimentos realizados en el Fermilab.

Cada uno de estos quarks juega un papel crucial en la formación de diferentes partículas subatómicas y en los procesos que ocurren en el universo a nivel fundamental. Los estudios sobre quarks continúan siendo un área activa de investigación en física de partículas, contribuyendo a nuestra comprensión de la materia y las fuerzas fundamentales.

Ahora que ya sabes qué son los quarks, te recomendamos leer este artículo sobre Qué es el átomo.

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