¿Qué es el sabor y el color de los quarks?

Diagrama de una colisión de partículas (CERN)
Diagrama de una colisión de partículas (CERN)
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Los quarks, junto a los leptones, son las partículas más pequeñas que forman la materia ordinaria, por lo que se suelen describir como partículas elementales.

Aunque no se han podido observar directamente, sí se han observado a través de su interacción con otras partículas.

Según estas observaciones, los quarks han sido catalogados en varios tipos según su “color” y su “sabor”, aunque el nombre de estas propiedades es completamente arbitrario y nada tiene que ver con lo que en realidad representan.

Los sabores y colores son propiedades cuánticas de los quarks. Los sabores se podrían entender como tipos de quarks, mientras que los colores se suele explicar como un tipo de carga, la “carga de color“.

Otras propiedades intrínsecas de los quarks son la carga eléctrica, la masa y el spin.

Se han observado hasta seis sabores diferentes, relacionados con la fuerza de interacción débil, y 3 colores, relacionados con la fuerza de interacción fuerte.

Todos estos tipos de quarks estarían previstos en la formulación matemática del llamado modelo estándar de física de partículas.

Además de la interacción fuerte y débil, los quarks también experimentan la gravitación y el electromagnetismo, por lo que son las únicas partículas del modelo estándar que experimentan las cuatro fuerzas fundamentales de interacción.

El sabor de los quarks

El sabor es el nombre con el que diferencian las modalidades o especies de un mismo tipo de partícula. Cada una de ellas está parametrizada mediante un número cuántico y se pueden describir por las simetrías horizontales entre generaciones quark-leptón.

Hay seis sabores de quarks:

  1. u (up)
  2. c (charm)
  3. t (top)
  4. d (down)
  5. s (strange)
  6. b (bottom)

A través de experimentos en aceleradores de partículas, se ha podido comprobar la existencia de los seis sabores de quarks, aunque como se dijo anteriormente, nunca se han podido observar directamente, sino que se han observado diferentes manifestaciones de su existencia.

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Los quarks de la familia up (up, charm y top) tienen una carga positiva de 2/3, y los quarks de la familia down (down, strange y botton) tienen una carga negativa de -1/3. Además, cada tipo de quark tiene una masa ligeramente diferente.

La combinación de la carga y la masa, junto a otras propiedades de los quarks, conforman los diferentes tipos, especies o sabores de quarks.

Para cada tipo de quark existe una antipartícula, un antiquark (anti-up, anti-top, etc), que cuenta con la misma magnitud de sus propiedades pero de signo opuesto.

La combinación de diferentes tipos de quarks da lugar a los hadrones. Dentro de los hadrones tenemos los mesones, formados por un quark y antiquark, y los bariones, formados por tres quarks.

Los protones y los neutrones de los núcleos atómicos son hadrones tipo barión, pues están formados por la combinación de tres quarks:

  1. Protones: formado por dos quarks up y uno down (uud). Carga elemental positiva.
  2. Neutrones: formado por dos quarks down y uno up (udd). Carga elemental neutra.
Generaciones de la materia
Partículas elementales del modelo estándar

Sabor y fuerza de interacción débil

Un quark de un sabor puede transformarse en un quark de otro sabor mediante la interacción débil, una interacción debida al intercambio de bosones W.

Al emitir o absorber un bosón W, un quark de tipo up (up, charm, top) se puede transformar en quark de tipo down (down, strange, bottom), y viceversa.

Este cambio de sabor en los quarks por interacción débil es el mecanismo de la desintegración o decaimiento beta en la que un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico.

El decaimiento beta ocurre cuando uno de los quarks down del neutrón (udd) se transforma en un quark up, lo que da lugar a un protón (uud). En esta transformación de sabor se emite un bosón W, y este bosón decae a un electrón y un antineutrino electrónico.

np+e+νe(decaimiento beta, notación en hadrones)
udduud+e+νe(decaimiento beta, notación en quarks)

Los quarks up y down son los quarks más ligeros. Los quarks más pesados suelen ser menos estables y decaer a estados con menor masa. Debido a esto, los quarks up y down son los más abundantes en el universo. Los otros sabores de quarks solo se ven en colisiones de alta energía como las que se producen en los rayos cósmicos y en los aceleradores de partículas.

La carga de color

El color, o carga de color, es una propiedad de los quarks estudiada por la cromodinámica cuántica, aunque los quarks no tienen un color que podamos ver.

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Los quarks que forman un hadrón, por ejemplo un protón, ocupan un espacio minúsculo, y de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, dos partículas en el mismo estado cuántico no pueden existir en el mismo espacio y al mismo tiempo.

Es decir, dos quarks up no podrían estar dentro de un mismo protón, ni dos quarks down podrían estar dentro de un neutrón, pero lo están. Para que esto pueda ocurrir, esos quarks del mismo sabor tienen que tener otra propiedad cuántica que sea diferente, y esa propiedad es la conocida como color o carga de color.

Existen tres colores posibles: azul, rojo y verde. Cada uno de los seis sabores de quarks puede portar uno de los tres colores. Por cada color existe la misma propiedad de signo opuesto, el anticolor (anti-azul, anti-verde y anti-rojo). Cada quark porta un color, mientras que un antiquark porta un anti-color.

Aunque puede parecer un poco extraño, los diferentes experimentos en aceleradores de partículas han confirmado que existen 3 veces más tipos de quarks de los que se esperarían si solo se tuviese en cuenta el sabor, lo que se suele tomar como prueba de la carga de color.

Color y fuerza de interacción fuerte

El sistema de atracción o repulsión entre quarks con diferente color, el campo de estudio de la cromodinámica cuántica, es la representación de la fuerza de interacción fuerte. Esta fuerza de interacción es mediada por la absorción o emisión de gluones.

Un quark que porte una determinada carga de color puede formar un sistema de unión con un antiquark con el correspondiente anticolor. El resultado de esta interacción son los mesones. El color del quark se neutraliza con el anti-color del anti-quark, por lo que los mesones no tienen color (carga de color cero).

Del mismo modo, la combinación de 3 quarks, cada uno con una carga de color diferente, da lugar a la formación de los bariones. La unión de 3 anti-quarks, cada uno con un anticolor diferente, da lugar a los anti-bariones.

Carga de color en los hadrones
Carga de color en los hadrones

Así, cada sabor de un quark, f (del inglés flavor), existe en tres estados, fB, fG y fR, según su carga de color (Blue, Green o Red). Esto forma un campo cuántico de tres componentes cuyas transformaciones siguen la simetría de gauge denominada SU(3), base de la cromodinámica cuántica que determina la propiedades de la interacción fuerte .

Según la simetría SU(3) deben existir hasta 8 tipos de gluones que actúan como partículas portadoras de la interacción fuerte entre quarks.

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