Conservación del sabor de los quarks
En física de partículas, el sabor de un quark (up, down, strange, etc.) se conserva siempre en las interacciones fuertes y electromagnéticas, mientras que puede transformarse en otro tipo bajo la interacción débil. Como los procesos débiles son mucho menos frecuentes y ocurren más lentamente que los fuertes, los físicos suelen hablar de una conservación aproximada del sabor.
Esta casi conservación del sabor fue precisamente lo que llevó a Murray Gell-Mann y a otros investigadores a introducir el concepto de “extrañeza” junto con el quark extraño.
Gracias a este nuevo número cuántico se comprendió por qué las partículas extrañas se generan siempre en pares durante las interacciones fuertes (que conservan la extrañeza), mientras que se desintegran de una en una a través de la interacción débil (que no la conserva).
Explicación
Todo hadrón (ya sea un barión o un mesón) está constituido por una combinación específica de quarks.
Cada quark se caracteriza por un número cuántico llamado sabor:
- up (u)
- down (d)
- strange (s)
- charm (c)
- bottom (b)
- top (t)
La conservación de estos números cuánticos en un vértice de interacción depende del tipo de fuerza fundamental que intervenga.
Se distinguen principalmente dos situaciones:
A] Interacción fuerte o electromagnética
En los procesos fuertes y electromagnéticos, el sabor de los quarks se conserva. Es decir, los quarks no cambian de identidad.
Un ejemplo: en las colisiones gobernadas por la fuerza fuerte, la extrañeza se mantiene constante, y las partículas extrañas se producen siempre en pares.
$$ \pi^- (\bar{u}d) + p (uud) \;\;\rightarrow\;\; K^0 (d\bar{s}) + \Lambda (uds) $$
A la izquierda no hay quarks extraños, de modo que la extrañeza total es nula (\(S = 0\)).
En el lado derecho aparece un par formado por un quark extraño y un antiquark extraño, que se anulan entre sí:
\[
\underset{S=0}{\pi^- (\bar{u}d)} +
\underset{S=0}{p (uud)}
\;\;\longrightarrow\;\;
\underset{S=+1}{K^0 (d \color{red}{ \bar{s} })} +
\underset{S=-1}{\Lambda (ud \color{red}{ s })}
\]
Por lo tanto, la extrañeza neta es cero tanto antes (izquierda) como después (derecha), ya que el quark extraño y el antiquark aparecen como un par \((+1, -1)\).
Este comportamiento es plenamente coherente con las interacciones fuertes, que siempre respetan la conservación del sabor.
B] Interacción débil
La interacción débil, en cambio, no conserva el sabor. En este tipo de procesos, un quark puede transformarse en otro al emitir o absorber un bosón \( W^\pm \).
Por ejemplo, en ciertas desintegraciones débiles la extrañeza pasa de \( -1 \) (estado inicial) a \( 0 \) (estado final):
\[
\underset{S=-1}{\Lambda^0 (uds)}
\;\;\longrightarrow\;\;
\underset{S=0}{p (uud)} \;+\;
\underset{S=0}{\pi^- (\bar{u}d)}
\]
En este caso, el barión \( \Lambda^0 \) se desintegra mediante la fuerza débil en un protón (\( p \)) y un bosón \( W^- \), que posteriormente se transforma en un pión (\( \pi^- \)). En este proceso la extrañeza no se conserva.
La violación de la extrañeza constituye una de las características más distintivas de la interacción débil.
Este descubrimiento fue una de las pruebas fundamentales que confirmaron que la fuerza débil es esencialmente diferente tanto de la fuerte como de la electromagnética.
Y así sucesivamente.
