Quark -Quark

Quark
Três bolas coloridas (simbolizando quarks) conectadas aos pares por molas (simbolizando glúons), todas dentro de um círculo cinza (simbolizando um próton).  As cores das bolas são vermelho, verde e azul, para corresponder à carga de cor de cada quark.  As bolas vermelhas e azuis são rotuladas "u" (para o quark "up") e a verde é rotulada como "d" (para o quark "down").
Um próton é composto de dois quarks up , um quark down e os glúons que medeiam as forças que os "ligam". A atribuição de cores de quarks individuais é arbitrária, mas todas as três cores devem estar presentes; vermelho, azul e verde são usados ​​como uma analogia às cores primárias que juntas produzem uma cor branca.
Composição partícula elementar
Estatisticas fermiônico
Geração 1º, 2º, 3º
Interações forte , fraco , eletromagnético , gravitação
Símbolo
q
Antipartícula antiquark (
q
)
Teorizado
Descoberto SLAC (c. 1968)
Tipos 6 ( cima , baixo , estranho , charme , inferior e superior )
Carga elétrica + 2/3 e , -1/3 e
Carga de cor sim
Rodar 1/2
Número bariônico 1/3

Um quark ( / k w ɔːr k , k w ɑːr k / ) é um tipo de partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria . Os quarks se combinam para formar partículas compostas chamadas hádrons , das quais as mais estáveis ​​são prótons e nêutrons , os componentes dos núcleos atômicos . Toda a matéria comumente observável é composta de quarks up, quarks down e elétrons . Devido a um fenômeno conhecido como confinamento de cor , os quarks nunca são encontrados isoladamente; eles podem ser encontrados apenas dentro de hádrons, que incluem bárions (como prótons e nêutrons) e mésons , ou em plasmas de quark-gluon . Por esta razão, muito do que se sabe sobre quarks foi extraído de observações de hádrons.

Quarks têm várias propriedades intrínsecas , incluindo carga elétrica , massa , carga de cor e spin . Eles são as únicas partículas elementares no Modelo Padrão da física de partículas a experimentar todas as quatro interações fundamentais , também conhecidas como forças fundamentais ( eletromagnetismo , gravitação , interação forte e interação fraca ), bem como as únicas partículas conhecidas cujas cargas elétricas não são múltiplos inteiros da carga elementar .

Existem seis tipos, conhecidos como sabores , de quarks: up , down , charm , strange , top e bottom . Os quarks up e down têm as massas mais baixas de todos os quarks. Os quarks mais pesados ​​se transformam rapidamente em quarks up e down através de um processo de decaimento de partículas : a transformação de um estado de maior massa para um estado de menor massa. Por causa disso, os quarks up e down são geralmente estáveis ​​e os mais comuns no universo , enquanto os quarks strange, charm, bottom e top só podem ser produzidos em colisões de alta energia (como as que envolvem raios cósmicos e em aceleradores de partículas ). Para cada sabor de quark existe um tipo correspondente de antipartícula , conhecido como antiquark , que difere do quark apenas porque algumas de suas propriedades (como a carga elétrica) têm igual magnitude, mas sinal oposto .

O modelo de quark foi proposto independentemente pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig em 1964. Quarks foram introduzidos como parte de um esquema de ordenação de hádrons, e havia pouca evidência de sua existência física até experimentos de espalhamento inelástico profundo no Stanford Linear Accelerator Center em 1968. Os experimentos do programa Accelerator forneceram evidências para todos os seis sabores. O quark top, observado pela primeira vez no Fermilab em 1995, foi o último a ser descoberto.

Classificação

Uma tabela de partículas de quatro por quatro.  As colunas são três gerações de matéria (férmions) e uma de forças (bósons).  Nas três primeiras colunas, duas linhas contêm quarks e dois léptons.  As colunas das duas linhas superiores contêm quarks up (u) e down (d), quarks charm (c) e estranho (s), quarks top (t) e bottom (b) e fóton (γ) e glúon (g) , respectivamente.  As colunas das duas linhas inferiores contêm neutrino do elétron (ν sub e) e elétron (e), neutrino do múon (ν sub μ) e múon (μ), e neutrino do tau (ν sub τ) e tau (τ), e Z sup 0 e W sup ± força fraca.  Massa, carga e spin são listados para cada partícula.
Seis das partículas no Modelo Padrão são quarks (mostrados em roxo). Cada uma das três primeiras colunas forma uma geração de matéria.

O Modelo Padrão é o arcabouço teórico que descreve todas as partículas elementares conhecidas . Este modelo contém seis sabores de quarks (
q
) , nomeado (
você
), para baixo (
d
), estranho (
s
), encanto (
c
), inferior (
b
) e superior (
t
). Antipartículas de quarks são chamadas de antiquarks e são indicadas por uma barra sobre o símbolo do quark correspondente, como
você
para um antiquark up. Tal como acontece com a antimatéria em geral, os antiquarks têm a mesma massa, tempo de vida médio e spin que seus respectivos quarks, mas a carga elétrica e outras cargas têm o sinal oposto.

Quarks são spin-1/2partículas, o que significa que são férmions de acordo com o teorema da estatística de spin . Eles estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli , que afirma que dois férmions idênticos não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico . Isso contrasta com os bósons (partículas com spin inteiro), dos quais qualquer número pode estar no mesmo estado. Ao contrário dos léptons , os quarks possuem carga de cor , o que faz com que eles se envolvam na interação forte . A atração resultante entre diferentes quarks causa a formação de partículas compostas conhecidas como hádrons (veja " Forte interação e carga de cor " abaixo).

Os quarks que determinam os números quânticos dos hádrons são chamados de quarks de valência ; além destes, qualquer hádron pode conter um número indefinido de quarks, antiquarks e glúons virtuaismar ” , que não influenciam seus números quânticos. Existem duas famílias de hádrons: bárions , com três quarks de valência, e mésons , com um quark de valência e um antiquark. Os bárions mais comuns são o próton e o nêutron, os blocos de construção do núcleo atômico . Um grande número de hádrons é conhecido (ver lista de bárions e lista de mésons ), a maioria deles diferenciados por seu conteúdo de quarks e pelas propriedades que esses quarks constituintes conferem. A existência de hádrons "exóticos" com mais quarks de valência, como os tetraquarks (
q

q

q

q
) e pentaquarks (
q

q

q

q

q
), foi conjecturado desde os primórdios do modelo quark, mas não foi descoberto até o início do século XXI.

Os férmions elementares são agrupados em três gerações , cada uma composta por dois léptons e dois quarks. A primeira geração inclui quarks up e down, a segunda quarks strange e charm e a terceira bottom e top quarks. Todas as buscas por uma quarta geração de quarks e outros férmions elementares falharam, e há fortes evidências indiretas de que não existem mais de três gerações. Partículas em gerações mais altas geralmente têm maior massa e menos estabilidade, fazendo com que elas se decomponham em partículas de baixa geração por meio de interações fracas . Apenas quarks de primeira geração (up e down) ocorrem comumente na natureza. Os quarks mais pesados ​​só podem ser criados em colisões de alta energia (como as que envolvem raios cósmicos ) e decaem rapidamente; no entanto, acredita-se que eles estiveram presentes durante as primeiras frações de segundo após o Big Bang , quando o universo estava em uma fase extremamente quente e densa (a época dos quarks ). Estudos de quarks mais pesados ​​são realizados em condições criadas artificialmente, como em aceleradores de partículas .

Tendo carga elétrica, massa, carga de cor e sabor, os quarks são as únicas partículas elementares conhecidas que se envolvem em todas as quatro interações fundamentais da física contemporânea: eletromagnetismo, gravitação, interação forte e interação fraca. A gravitação é muito fraca para ser relevante para interações de partículas individuais, exceto em extremos de energia (energia de Planck ) e escalas de distância ( distância de Planck ). No entanto, como não existe uma teoria quântica bem-sucedida da gravidade , a gravitação não é descrita pelo Modelo Padrão.

Veja a tabela de propriedades abaixo para uma visão mais completa das propriedades dos seis sabores de quark.

História

Murray Gell-Mann (2007)
George Zweig (2015)

O modelo de quark foi proposto independentemente pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig em 1964. A proposta veio logo após a formulação de Gell-Mann em 1961 de um sistema de classificação de partículas conhecido como o Caminho Óctuplo - ou, em termos mais técnicos, SU(3) simetria do sabor , agilizando sua estrutura. O físico Yuval Ne'eman desenvolveu independentemente um esquema semelhante ao Caminho Óctuplo no mesmo ano. Uma tentativa inicial de organização constituinte estava disponível no modelo Sakata .

Na época do início da teoria dos quarks, o " zoológico de partículas " incluía uma infinidade de hádrons , entre outras partículas. Gell-Mann e Zweig postularam que não eram partículas elementares, mas eram compostas de combinações de quarks e antiquarks. Seu modelo envolvia três tipos de quarks, up , down e strange , aos quais eles atribuíam propriedades como spin e carga elétrica. A reação inicial da comunidade física à proposta foi mista. Houve uma controvérsia particular sobre se o quark era uma entidade física ou uma mera abstração usada para explicar conceitos que não eram totalmente compreendidos na época.

Em menos de um ano, foram propostas extensões ao modelo Gell-Mann-Zweig. Sheldon Glashow e James Bjorken previram a existência de um quarto sabor de quark, que chamaram de charme . A adição foi proposta porque permitiu uma melhor descrição da interação fraca (o mecanismo que permite o decaimento dos quarks), igualou o número de quarks conhecidos com o número de léptons conhecidos e implicou uma fórmula de massa que reproduziu corretamente as massas dos mésons conhecidos .

Experimentos de espalhamento inelástico profundo conduzidos em 1968 no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) e publicados em 20 de outubro de 1969, mostraram que o próton continha objetos muito menores e pontuais e, portanto, não era uma partícula elementar. Os físicos estavam relutantes em identificar firmemente esses objetos com quarks na época, chamando-os de " partons " - um termo cunhado por Richard Feynman . Os objetos observados no SLAC seriam posteriormente identificados como quarks up e down à medida que os outros sabores fossem descobertos. No entanto, "parton" permanece em uso como um termo coletivo para os constituintes dos hádrons (quarks, antiquarks e glúons ).

Foto das trilhas da câmara de bolhas ao lado do diagrama das mesmas trilhas.  Um neutrino (não visto na foto) entra por baixo e colide com um próton, produzindo um múon carregado negativamente, três píons carregados positivamente e um píon carregado negativamente, bem como um bárion lambda neutro (não visto na fotografia).  O baryon lambda então decai em um próton e um píon negativo, produzindo um padrão "V".
Fotografia do evento que levou à descoberta do
Σ++
c
baryon
, no Laboratório Nacional de Brookhaven em 1974

A existência do quark estranho foi indiretamente validada pelos experimentos de espalhamento do SLAC: não só era um componente necessário do modelo de três quarks de Gell-Mann e Zweig, mas forneceu uma explicação para o kaon (
K
) e pião (
π
) hádrons descobertos em raios cósmicos em 1947.

Em um artigo de 1970, Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani apresentaram o mecanismo GIM (nomeado de suas iniciais) para explicar a não observação experimental de correntes neutras que mudam de sabor . Este modelo teórico exigia a existência do quark charm ainda não descoberto . O número de supostos sabores de quarks cresceu para os atuais seis em 1973, quando Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa notaram que a observação experimental da violação de CP poderia ser explicada se houvesse outro par de quarks.

Os quarks Charm foram produzidos quase simultaneamente por duas equipes em novembro de 1974 (veja a Revolução de Novembro ) – uma no SLAC sob Burton Richter e outra no Brookhaven National Laboratory sob Samuel Ting . Os quarks charm foram observados ligados com antiquarks charm nos mésons. As duas partes atribuíram ao méson descoberto dois símbolos diferentes, J e ψ ; assim, tornou-se formalmente conhecido como o
J/ψ
méson
. A descoberta finalmente convenceu a comunidade física da validade do modelo quark.

Nos anos seguintes, surgiram várias sugestões para estender o modelo de quarks para seis quarks. Destes, o artigo de 1975 de Haim Harari foi o primeiro a cunhar os termos top e bottom para os quarks adicionais.

Em 1977, o quark bottom foi observado por uma equipe do Fermilab liderada por Leon Lederman . Este foi um forte indicador da existência do quark top: sem o quark top, o quark bottom não teria um parceiro. Não foi até 1995 que o quark top foi finalmente observado, também pelas equipes CDF e no Fermilab. Tinha uma massa muito maior do que o esperado, quase tão grande quanto a de um átomo de ouro .

Etimologia

Por algum tempo, Gell-Mann estava indeciso sobre uma grafia real para o termo que pretendia cunhar, até encontrar a palavra quark no livro de 1939 de James Joyce , Finnegans Wake :

– Três quarks para Muster Mark!
Claro que ele não tem muito latido
E com certeza qualquer ele tem, está tudo fora da marca.

A palavra quark é uma palavra inglesa desatualizada que significa coaxar e as linhas acima citadas são sobre um coro de pássaros zombando do rei Marcos da Cornualha na lenda de Tristão e Isolda . Especialmente nas partes do mundo de língua alemã, há uma lenda generalizada, no entanto, que Joyce a tirou da palavra Quark , uma palavra alemã de origem eslava que denota um queijo coalho , mas também é um termo coloquial para "absurdo trivial ". Na lenda, diz-se que ele a ouviu em uma viagem à Alemanha em um mercado de agricultores em Freiburg . Alguns autores, no entanto, defendem uma possível origem alemã da palavra quark de Joyce . Gell-Mann entrou em mais detalhes sobre o nome do quark em seu livro de 1994 The Quark and the Jaguar :

Em 1963, quando atribuí o nome "quark" aos constituintes fundamentais do nucleon, tive primeiro o som, sem a grafia, que poderia ter sido "kwork". Então, em uma das minhas leituras ocasionais de Finnegans Wake , de James Joyce, me deparei com a palavra "quark" na frase "Three quarks for Muster Mark". Uma vez que "quark" (que significa, por um lado, o grito da gaivota) pretendia claramente rimar com "Mark", assim como "latido" e outras palavras semelhantes, tive que encontrar uma desculpa para pronunciá-lo como "kwork ". Mas o livro representa o sonho de um publicano chamado Humphrey Chimpden Earwicker. As palavras no texto são tipicamente extraídas de várias fontes ao mesmo tempo, como as palavras " portmanteau " em Através do Espelho . De vez em quando, ocorrem frases no livro que são parcialmente determinadas por pedidos de bebidas no bar. Argumentei, portanto, que talvez uma das múltiplas fontes do grito "Três quarks para Muster Mark" pudesse ser "Três quartos para Mister Mark", caso em que a pronúncia "kwork" não seria totalmente injustificada. De qualquer forma, o número três se encaixava perfeitamente na maneira como os quarks ocorrem na natureza.

Zweig preferia o nome ás para a partícula que havia teorizado, mas a terminologia de Gell-Mann ganhou destaque quando o modelo de quarks foi comumente aceito.

Os sabores de quark receberam seus nomes por várias razões. Os quarks up e down são nomeados após os componentes up e down do isospin , que eles carregam. Os quarks estranhos receberam esse nome porque foram descobertos como componentes das partículas estranhas descobertas em raios cósmicos anos antes do modelo de quark ser proposto; essas partículas foram consideradas "estranhas" porque tinham vidas extraordinariamente longas. Glashow, que co-propôs o quark charm com Bjorken, é citado como tendo dito: "Chamamos nossa construção de 'charmed quark', pois ficamos fascinados e satisfeitos com a simetria que trouxe ao mundo subnuclear". Os nomes "bottom" e "top", cunhados por Harari, foram escolhidos por serem "parceiros lógicos dos quarks up e down". Nomes alternativos para os quarks bottom e top são "beauty" e "truth", respectivamente, mas esses nomes caíram em desuso. Embora a "verdade" nunca tenha pegado, os complexos de aceleradores dedicados à produção massiva de quarks bottom são às vezes chamados de " fábricas de beleza ".

Propriedades

Carga elétrica

Quarks têm valores fracionários de carga elétrica - ou (-1/3) ou (+2/3) vezes a carga elementar (e), dependendo do sabor. Os quarks up, charm e top (coletivamente chamados de quarks do tipo up ) têm uma carga de +2/3 e; os quarks down, estranho e bottom (quarks do tipo down ) têm uma carga de -1/3 e. Os antiquarks têm a carga oposta aos seus quarks correspondentes; antiquarks do tipo up têm cargas de -2/3 e e antiquarks do tipo down têm cargas de +1/3 e. Como a carga elétrica de um hádron é a soma das cargas dos quarks constituintes, todos os hádrons têm cargas inteiras: a combinação de três quarks (bárions), três antiquarks (antibárions) ou um quark e um antiquark (mésons) sempre resulta em cargas inteiras. Por exemplo, os constituintes de hádrons de núcleos atômicos, nêutrons e prótons, têm cargas de 0 e e +1 e respectivamente; o nêutron é composto de dois quarks down e um quark up, e o próton de dois quarks up e um quark down.

Rodar

O spin é uma propriedade intrínseca das partículas elementares, e sua direção é um importante grau de liberdade . Às vezes, é visualizado como a rotação de um objeto em torno de seu próprio eixo (daí o nome " spin "), embora essa noção seja um pouco equivocada em escalas subatômicas porque acredita-se que as partículas elementares sejam semelhantes a pontos .

O spin pode ser representado por um vetor cujo comprimento é medido em unidades da constante de Planck reduzida ħ (pronuncia-se "h bar"). Para quarks, uma medida do componente do vetor de spin ao longo de qualquer eixo só pode produzir os valores +ħ/2ou −ħ/2; por esta razão os quarks são classificados como spin-1/2partículas. O componente de spin ao longo de um determinado eixo – por convenção o eixo z – é frequentemente indicado por uma seta para cima ↑ para o valor +1/2e seta para baixo ↓ para o valor −1/2, colocado após o símbolo de sabor. Por exemplo, um quark up com um spin de +1/2ao longo do eixo z é denotado por u↑.

Interação fraca

Um diagrama de árvore consistindo principalmente de setas retas.  Um quark down se bifurca em um quark up e um bóson W [superscript minus] de seta ondulada, o último bifurcando-se em um antineutrino de elétron de elétron e de seta invertida.
Diagrama de Feynman do decaimento beta com o tempo fluindo para cima. A matriz CKM (discutida abaixo) codifica a probabilidade deste e de outros decaimentos de quarks.

Um quark de um sabor pode se transformar em um quark de outro sabor apenas através da interação fraca, uma das quatro interações fundamentais na física de partículas. Ao absorver ou emitir um bóson W , qualquer quark do tipo up (up, charm e top quarks) pode se transformar em qualquer quark do tipo down (down, strange e bottom) e vice-versa. Esse mecanismo de transformação do sabor causa o processo radioativo de decaimento beta , no qual um nêutron (
n
) "divide-se" em um próton (
p
), um elétron (
e
) e um antineutrino de elétron (
ν
e
) (Ver foto). Isso ocorre quando um dos quarks down no nêutron (
você

d

d
) decai em um quark up emitindo um
C
bóson, transformando o nêutron em um próton (
você

você

d
). o
C
bóson então decai em um elétron e um antineutrino de elétron.

 
n
 
p
+
e
+
ν
e
(Decaimento beta, notação de hádrons)

você

d

d

você

você

d
+
e
+
ν
e
(Decaimento beta, notação de quark)

Tanto o decaimento beta quanto o processo inverso do decaimento beta inverso são usados ​​rotineiramente em aplicações médicas, como tomografia por emissão de pósitrons (PET) e em experimentos envolvendo detecção de neutrinos .

Três bolas "u", "c" e "t" marcadas como "quarks do tipo up" estão acima de três bolas "d", "s", "b" marcadas como "quarks do tipo down".  As bolas "u", "c" e "t" são alinhadas verticalmente com as bolas "d", "s" e b", respectivamente. Linhas coloridas conectam os quarks "up-type" e "down-type", com a escuridão da cor indicando a força da interação fraca entre os dois; As linhas "d" a "u", "c" a "s" e "t" a "b" são escuras; As linhas "c" " a "d" e "s" a "u" são acinzentados; e as linhas "b" a "u", "b" a "c", "t" a "d" e "t" a "s " são quase brancos.
Os pontos fortes das interações fracas entre os seis quarks. As "intensidades" das linhas são determinadas pelos elementos da matriz CKM .

Embora o processo de transformação de sabor seja o mesmo para todos os quarks, cada quark tem a preferência de se transformar no quark de sua própria geração. As tendências relativas de todas as transformações de sabor são descritas por uma tabela matemática , chamada matriz Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (matriz CKM). Aplicando a unitaridade , as magnitudes aproximadas das entradas da matriz CKM são:

onde V ij representa a tendência de um quark de sabor i se transformar em um quark de sabor j (ou vice-versa).

Existe uma matriz de interação fraca equivalente para léptons (lado direito do bóson W no diagrama de decaimento beta acima), chamada matriz Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (matriz PMNS). Juntas, as matrizes CKM e PMNS descrevem todas as transformações de sabor, mas as ligações entre as duas ainda não estão claras.

Forte interação e carga de cor

Uma seta verde e uma magenta ("antiverde") se anulando em branco, representando um méson;  uma seta vermelha, uma verde e uma azul cancelando para branco, representando um bárion;  uma seta amarela ("antiazul"), uma magenta e uma ciano ("antivermelha") cancelando para branco, representando um antibárion.
Todos os tipos de hádrons têm carga de cor total zero.
O padrão de cargas fortes para as três cores de quarks, três antiquarks e oito glúons (com dois de carga zero sobrepostos).

De acordo com a cromodinâmica quântica (QCD), os quarks possuem uma propriedade chamada carga de cor . Existem três tipos de carga de cor, arbitrariamente rotulados como azul , verde e vermelho . Cada um deles é complementado por um anticor – antiazul , antiverde e antivermelho . Todo quark carrega uma cor, enquanto todo antiquark carrega uma anticolor.

O sistema de atração e repulsão entre quarks carregados com diferentes combinações das três cores é chamado de interação forte , que é mediada por partículas portadoras de força conhecidas como glúons ; isso é discutido detalhadamente abaixo. A teoria que descreve interações fortes é chamada de cromodinâmica quântica (QCD). Um quark, que terá um único valor de cor, pode formar um sistema ligado com um antiquark carregando a anticor correspondente. O resultado de dois quarks atraentes será a neutralidade de cor: um quark com carga de cor ξ mais um antiquark com carga de cor − ξ resultará em uma carga de cor de 0 (ou cor "branca") e a formação de um méson . Isso é análogo ao modelo de cores aditivas em óptica básica . Da mesma forma, a combinação de três quarks, cada um com diferentes cargas de cor, ou três antiquarks, cada um com diferentes cargas de anticor, resultará na mesma carga de cor "branca" e na formação de um bárion ou antibárion .

Na física de partículas moderna, as simetrias de calibre – uma espécie de grupo de simetria – relacionam interações entre partículas (ver teorias de calibre ). A cor SU(3) (comumente abreviada para SU(3) c ) é a simetria de calibre que relaciona a carga de cor nos quarks e é a simetria que define a cromodinâmica quântica. Assim como as leis da física são independentes de quais direções no espaço são designadas por x , y e z , e permanecem inalteradas se os eixos coordenados são girados para uma nova orientação, a física da cromodinâmica quântica é independente de quais direções em três dimensões. espaço de cores são identificados como azul, vermelho e verde. SU(3) c transformações de cor correspondem a "rotações" no espaço de cor (que, matematicamente falando, é um espaço complexo ). Cada sabor de quark f , cada um com os subtipos f B , f G , f R correspondentes às cores dos quarks, forma um tripleto: um campo quântico de três componentes que se transforma sob a representação fundamental de SU(3) c . A exigência de que SU(3) c seja local – isto é, que suas transformações possam variar com o espaço e o tempo – determina as propriedades da interação forte. Em particular, implica a existência de oito tipos de glúons para atuar como seus portadores de força.

Massa

Massas de quarks atuais para todos os seis sabores em comparação, como bolas de volumes proporcionais. Próton (cinza) e elétron  (vermelho) são mostrados no canto inferior esquerdo para escala.

Dois termos são usados ​​para se referir à massa de um quark: massa de quark atual refere-se à massa de um quark por si só, enquanto massa de quark constituinte refere-se à massa de quark atual mais a massa do campo de partículas de glúon ao redor do quark. Essas massas normalmente têm valores muito diferentes. A maior parte da massa de um hádron vem dos glúons que unem os quarks constituintes, e não dos próprios quarks. Embora os glúons sejam inerentemente sem massa, eles possuem energia – mais especificamente, energia de ligação cromodinâmica quântica (QCBE) – e é isso que contribui tanto para a massa geral do hádron (veja massa na relatividade especial ). Por exemplo, um próton tem uma massa de aproximadamente938  MeV/ c 2 , dos quais a massa de repouso de seus três quarks de valência contribui apenas com cerca de9 MeV / c2 ; muito do restante pode ser atribuído à energia de campo dos glúons (veja quebra de simetria quiral ). O Modelo Padrão postula que as partículas elementares derivam suas massas do mecanismo de Higgs , que está associado ao bóson de Higgs . Espera-se que mais pesquisas sobre as razões para a grande massa do quark top de ~173 GeV/ c 2 , quase a massa de um átomo de ouro, pode revelar mais sobre a origem da massa de quarks e outras partículas elementares.

Tamanho

No QCD, os quarks são considerados entidades pontuais, com tamanho zero. A partir de 2014, evidências experimentais indicam que eles não são maiores que 10 −4 vezes o tamanho de um próton, ou seja, menos de 10 −19 metros.

Tabela de propriedades

A tabela a seguir resume as principais propriedades dos seis quarks. Os números quânticos de sabor ( isospin ( I 3 ), charme ( C ), estranheza ( S , não confundir com spin ), topness ( T ) e bottomness ( B ′ )) são atribuídos a certos sabores de quark e denotam qualidades de sistemas baseados em quarks e hádrons. O número bariônico ( B ) é +1/3para todos os quarks, pois os bárions são feitos de três quarks. Para antiquarks, a carga elétrica ( Q ) e todos os números quânticos de sabor ( B , I 3 , C , S , T e B ') são de sinal oposto. A massa e o momento angular total ( J ; igual ao spin para partículas pontuais) não mudam de sinal para os antiquarks.

Propriedades do sabor do quark
Partícula Massa * ( MeV / c2 ) J B Q ( e ) eu 3 C S T B' Antipartícula
Nome Símbolo Nome Símbolo
Primeira geração
acima
você
2,3 ± 0,7  ± 0,5 1/2 +1/3 +2/3 +1/2 0 0 0 0 anti-up
você
baixa
d
4,8 ± 0,5  ± 0,3 1/2 +1/3 1/3 1/2 0 0 0 0 antidown
d
Segunda geração
charme
c
1275 ± 25 1/2 +1/3 +2/3 0 +1 0 0 0 anticharme
c
estranho
s
95 ± 5 1/2 +1/3 1/3 0 0 −1 0 0 antiestranho
s
Terceira geração
topo
t
173 210 ± 510 ± 710 * 1/2 +1/3 +2/3 0 0 0 +1 0 antitop
t
fundo
b
4180 ± 30 1/2 +1/3 1/3 0 0 0 0 −1 antifundo
b

J = momento angular total , B = número bariônico , Q = carga elétrica ,
I 3 = isospin , C = encanto , S = estranheza , T = topness , B ′ = bottomness .

* Notação como173 210 ± 510  ± 710, no caso do quark top, denota dois tipos de incerteza de medição
: A primeira incerteza é de natureza estatística , e a segunda é sistemática .

Quarks interativos

Conforme descrito pela cromodinâmica quântica , a forte interação entre quarks é mediada por glúons, bósons de calibre vetorial sem massa . Cada glúon carrega uma carga de cor e uma carga de anticor. Na estrutura padrão das interações de partículas (parte de uma formulação mais geral conhecida como teoria da perturbação ), os glúons são constantemente trocados entre os quarks por meio de um processo virtual de emissão e absorção. Quando um glúon é transferido entre quarks, ocorre uma mudança de cor em ambos; por exemplo, se um quark vermelho emite um glúon vermelho-antiverde, ele se torna verde, e se um quark verde absorve um glúon vermelho-antiverde, ele se torna vermelho. Portanto, enquanto a cor de cada quark muda constantemente, sua forte interação é preservada.

Como os glúons carregam carga de cor, eles próprios são capazes de emitir e absorver outros glúons. Isso causa liberdade assintótica : à medida que os quarks se aproximam, a força de ligação cromodinâmica entre eles enfraquece. Por outro lado, à medida que a distância entre os quarks aumenta, a força de ligação se fortalece. O campo de cor fica estressado, assim como um elástico é estressado quando esticado, e mais glúons de cor apropriada são criados espontaneamente para fortalecer o campo. Acima de um certo limiar de energia, são criados pares de quarks e antiquarks . Esses pares se ligam com os quarks sendo separados, causando a formação de novos hádrons. Esse fenômeno é conhecido como confinamento de cores : os quarks nunca aparecem isoladamente. Esse processo de hadronização ocorre antes que os quarks, formados em uma colisão de alta energia, sejam capazes de interagir de qualquer outra forma. A única exceção é o quark top, que pode decair antes de hadronizar.

quarks do mar

Os hádrons contêm, juntamente com os quarks de valência (
q
v
) que contribuem para seus números quânticos , quark-antiquark virtual (
q

q
) pares conhecidos como quarks do mar (
q
s
). Os quarks do mar se formam quando um glúon do campo de cores do hádron se divide; esse processo também funciona ao contrário, pois a aniquilação de dois quarks do mar produz um glúon. O resultado é um fluxo constante de divisões de glúons e criações coloquialmente conhecidas como "o mar". Os quarks marinhos são muito menos estáveis ​​do que seus equivalentes de valência e normalmente se aniquilam no interior do hádron. Apesar disso, os quarks marinhos podem hadronizar em partículas bariônicas ou mesônicas sob certas circunstâncias.

Outras fases da matéria quark

O plasma de quarks-glúons existe em temperaturas muito altas;  a fase hadrônica existe em temperaturas e densidades bariônicas mais baixas, em particular matéria nuclear para temperaturas relativamente baixas e densidades intermediárias;  a supercondutividade da cor existe em temperaturas suficientemente baixas e altas densidades.
Uma renderização qualitativa do diagrama de fases da matéria quark. Os detalhes precisos do diagrama são objeto de pesquisa em andamento.

Sob condições suficientemente extremas, os quarks podem tornar-se "desconfinados" fora dos estados ligados e propagar-se como excitações "livres" termalizadas no meio maior. No curso da liberdade assintótica , a interação forte torna-se mais fraca com o aumento da temperatura. Eventualmente, o confinamento de cores seria efetivamente perdido em um plasma extremamente quente de quarks e glúons em movimento livre. Essa fase teórica da matéria é chamada de plasma quark-gluon .

As condições exatas necessárias para dar origem a este estado são desconhecidas e têm sido objeto de muita especulação e experimentação. Uma estimativa coloca a temperatura necessária em(1,90 ± 0,02) × 10 12 kelvin . Embora um estado de quarks e glúons inteiramente livres nunca tenha sido alcançado (apesar de inúmeras tentativas do CERN nas décadas de 1980 e 1990), experimentos recentes no Relativistic Heavy Ion Collider produziram evidências de matéria de quarks semelhantes a líquidos exibindo movimento de fluido "quase perfeito" .

O plasma quark-glúon seria caracterizado por um grande aumento no número de pares de quarks mais pesados ​​em relação ao número de pares de quarks up e down. Acredita-se que no período anterior a 10-6 segundos após o Big Bang (a época dos quarks ), o universo estava cheio de plasma quark-gluon, pois a temperatura era muito alta para que os hádrons fossem estáveis.

Dadas densidades de bárions suficientemente altas e temperaturas relativamente baixas – possivelmente comparáveis ​​às encontradas em estrelas de nêutrons – espera-se que a matéria quark se degenere em um líquido Fermi de quarks de interação fraca. Esse líquido seria caracterizado por uma condensação de pares de quarks Cooper coloridos , quebrando assim a simetria local SU(3) c . Como os pares de quarks Cooper abrigam carga de cor, tal fase da matéria de quark seria supercondutora de cor ; isto é, a carga de cor seria capaz de passar por ele sem resistência.

Veja também

Notas explicativas

  1. Existe também a possibilidade teórica de fases mais exóticas da matéria quark .
  2. A principal evidência é baseada na largura de ressonância do
    Z0
    bóson
    , que restringe o neutrino de 4ª geração a ter uma massa maior que ~45 GeV / c2 . Isso seria altamente contrastante com os neutrinos das outras três gerações, cujas massas não podem exceder2 MeV/ c 2 .
  3. ^ A violação de CP é um fenômeno que faz com que interações fracas se comportem de maneira diferente quando esquerda e direita são trocadas ( simetria P ) e as partículas são substituídas por suas antipartículas correspondentes ( simetria C ).
  4. "Beleza" e "verdade" são contrastadas nas últimas linhas do poema de Keats de 1819 " Ode on a Grecian Urn " e pode ter sido a origem desses nomes.
  5. A probabilidade real de decaimento de um quark para outro é uma função complicada de (entre outras variáveis) a massa do quark em decomposição, as massas dos produtos de decaimento e o elemento correspondente da matriz CKM. Essa probabilidade é diretamente proporcional (mas não igual) à magnitude ao quadrado (| V ij  | 2 ) da entrada CKM correspondente.
  6. Apesar do nome, a carga de cor não está relacionada ao espectro de cores da luz visível.

Referências

Leitura adicional

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