Quarks

Los quarks son los constituyentes fundamentales de protones y neutrones, es decir, los ladrillos más pequeños de la materia conocidos hasta hoy.

¿Quién descubrió los quarks?

La noción de quark fue introducida en los años sesenta por el físico estadounidense Murray Gell-Mann. Poco después se obtuvieron las primeras evidencias experimentales y, en 1963, se identificaron los quarks up y down.

¿Qué son exactamente los quarks?

Gell-Mann planteó que los protones y neutrones no son partículas verdaderamente elementales, sino sistemas compuestos por componentes aún más básicos llamados quarks.

Los protones y neutrones, conocidos en conjunto como nucleones, constituyen el núcleo atómico. Sin embargo, no son partículas fundamentales, ya que pueden descomponerse en quarks.

¿Dónde se encuentran los quarks?

Los quarks no pueden existir aislados en condiciones normales. Solo se observan cuando permanecen confinados dentro de otras partículas elementales, como los nucleones.

¿Qué mantiene unidos a los quarks dentro de una partícula?

Dentro de los nucleones, los quarks están ligados por la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Esa misma fuerza es la que mantiene cohesionados a protones y neutrones en el núcleo atómico.

¿Todas las partículas elementales están formadas por quarks?

No. Solo ciertas familias de partículas elementales están constituidas por quarks.

Ejemplo: Los hadrones están formados por quarks. Este grupo incluye a los nucleones y se subdivide en dos categorías: bariones y mesones.

¿Cuántos quarks componen una partícula elemental?

Algunas partículas elementales contienen dos quarks, mientras que otras están formadas por tres.

Los bariones (como neutrones, protones, partículas lambda, sigma o xi) contienen tres quarks, mientras que los mesones (como piones y kaones) se forman a partir de un par quark - antiquark.

¿Qué partículas elementales no contienen quarks?

Algunas partículas elementales no están compuestas por quarks en absoluto.

Los leptones (como el electrón, el neutrino, el muón y el tau) y los mediadores de fuerza (como el fotón, el gluón, los bosones y el gravitón) son partículas libres de quarks.

¿Cuáles son las propiedades principales de los quarks?

Cada quark posee una masa, una carga eléctrica, un espín y una propiedad cuántica denominada carga de color. A partir de estas características se han identificado seis tipos diferentes de quarks, conocidos como sabores.

¿Qué es el “sabor” de un quark?

El término “sabor” designa la combinación particular de propiedades cuánticas que caracterizan a un quark. Los seis sabores de quarks son: Up, Down, Strange, Charm, Bottom (Beauty) y Top.

Nota: La palabra "sabor" aquí no tiene relación alguna con el gusto. Es un término convencional en física de partículas para distinguir los distintos tipos de quarks en función de sus propiedades cuánticas.

Los quarks se organizan en tres generaciones, cada una con mayor masa y energía que la anterior.

¿Cuál es la carga eléctrica de un quark?

Los quarks presentan carga eléctrica positiva o negativa, pero, a diferencia de electrones y protones, estas cargas son fraccionarias: un tercio (1/3) o dos tercios (2/3) de la carga elemental.

La carga eléctrica total de una partícula es la suma de las cargas de sus quarks, que siempre resulta en un número entero (+1, 0 o -1), definiendo así la carga neta de protones y neutrones.

Ejemplos concretos

Un neutrón está compuesto por dos quarks Down (-1/3) y un quark Up (+2/3). La carga total es cero, lo que lo hace eléctricamente neutro.

 

Un protón, en cambio, está formado por dos quarks Up (+2/3) y un quark Down (-1/3). La carga total es +1.

Por esta razón, los protones poseen carga eléctrica positiva.

¿Qué es el espín de los quarks?

El espín es una propiedad cuántica que puede adoptar valores positivos o negativos. Los quarks son fermiones, lo que implica que poseen un espín semientero de +1/2.

¿Qué significa el espín?

El espín describe el momento angular intrínseco de un quark, es decir, cómo “gira” sobre su propio eje. Un espín de +1/2 corresponde a una orientación, mientras que -1/2 indica la opuesta.

Este espín cuántico influye en las propiedades magnéticas y estructurales de las partículas compuestas por quarks.

Nota. La ilustración tiene un propósito estrictamente didáctico. Los quarks no son esferas diminutas que giran sobre su propio eje, y el spin no representa un movimiento de rotación real. Las partículas elementales carecen de tamaño físico y no poseen un eje alrededor del cual pudieran rotar. Los valores +1/2 y -1/2 son los autovalores del operador de spin definidos respecto a un eje de medida específico, y no dos sentidos opuestos de rotación. La analogía visual simplemente busca ofrecer una intuición inicial de los dos estados de spin. En la práctica, el spin es una propiedad cuántica intrínseca que no tiene equivalente en la física clásica.

¿Qué es el color en los quarks?

Los quarks existen en tres “colores”: rojo, verde y azul.

Naturalmente, no se trata de colores reales. “Color” es un término metafórico que designa una propiedad cuántica asociada a la interacción fuerte.

¿Qué función cumple el color en los quarks?

El color permite comprender cómo los quarks interactúan y se combinan.

Los físicos advirtieron que algunos quarks dentro de una misma partícula parecían ocupar estados cuánticos idénticos.

Ello contradiría el principio de exclusión de Pauli, que impide que dos fermiones idénticos compartan el mismo estado cuántico: al menos uno de sus números cuánticos debe ser distinto.

Este principio también rige para los quarks: no es posible construir una partícula a partir de quarks completamente idénticos. Cada uno debe diferenciarse en al menos una propiedad cuántica.

Para dar cuenta de este fenómeno, los físicos introdujeron la carga de color (rojo, verde y azul) como número cuántico adicional.

Gracias a esta propiedad, las combinaciones de quarks en las partículas respetan el principio de Pauli al distinguir entre quarks que, de otro modo, serían indistinguibles.

¿Qué son los antiquarks?

Cada quark tiene un antiquark asociado con propiedades opuestas, definidas por un antisabor y un anticolor.

Ejemplo: El quark Up posee una carga de +2/3. Su antiquark correspondiente tiene una carga de -2/3. Lo mismo se aplica a todos los demás quarks.

¿Por qué no podemos detectar un quark libre?

En la naturaleza, los quarks nunca aparecen aislados debido a un fenómeno denominado confinamiento de quarks, una de las predicciones centrales de la Cromodinámica Cuántica (QCD).

Los quarks interactúan mediante la fuerza fuerte, mediada por partículas llamadas gluones, que actúan a través de la carga de color. Puede imaginarse como una forma peculiar de “magnetismo” que mantiene a los quarks unidos con una intensidad extraordinaria.

Nota. La regla fundamental es que las partículas deben ser “blancas”, es decir, neutras en cuanto a carga de color. En los bariones, esto se logra combinando tres quarks de colores distintos (rojo, verde y azul). En los mesones, la neutralidad se obtiene uniendo un quark con su antiquark complementario (por ejemplo, verde y antiverde). En ambos casos, el resultado es neutro en color. Si se intentara reunir dos quarks del mismo color - por ejemplo, ambos verdes - se generaría un estado “coloreado” e inestable: los campos de color crecerían sin límite y la naturaleza reorganizaría de inmediato la configuración hasta recuperar la neutralidad.

A diferencia de la fuerza eléctrica, que disminuye con la distancia, la fuerza fuerte se intensifica cuanto más se separan los quarks.

Se asemeja a estirar una banda elástica entre dos quarks: cuanto más se separan, mayor es la tensión. Si se intenta alejarlos, la energía almacenada en esa “cuerda” de gluones aumenta rápidamente.

Al superar un cierto umbral, resulta más favorable que el propio vacío cree un nuevo par quark - antiquark que permitir que los quarks originales se separen.

El resultado es que, en lugar de obtener un quark libre, se generan nuevas partículas compuestas (hadrones), como mesones o bariones.

Por este motivo, los quarks libres nunca han sido observados directamente en la naturaleza. Todo quark detectado aparece confinado en una partícula compuesta, como un protón, un neutrón o un pión.

Para estudiarlos es necesario hacerlo de manera indirecta: haciendo colisionar partículas a altísimas energías y analizando los chorros de partículas producidos.

Diferencia con la carga eléctrica. En la QED (Electrodinámica Cuántica), los fotones que median la interacción carecen de carga eléctrica, por lo que no interactúan entre sí. En la QCD, en cambio, los gluones sí poseen carga de color, lo que les permite interactuar unos con otros. Esto hace que la fuerza fuerte sea mucho más compleja e intrínsecamente auto-interactiva. Los gluones son combinaciones de un color y un anticolor. Por ejemplo, un gluón rojo - antiverde puede transformar un quark verde en uno rojo, modificando su “color”. Este incesante intercambio de gluones es lo que literalmente “pega” a los quarks dentro de hadrones como protones y neutrones.

Y así sucesivamente.