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QUARK

 

Wikipédia, informa

Um quark ( / k w ɔːr k , k w ɑːr k / ) é um tipo de partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria. Os quarks combinam-se para formar partículas compostas chamadas hádrons , sendo as mais estáveis ​​os prótons e os nêutrons , os componentes dos núcleos atômicos . [1] Toda 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-glúon . [2] [3] [nb 1] Por esta razão, muito do que se sabe sobre quarks foi extraído de observações de hádrons.

Os 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 . [4] Os quarks up e down têm as massas mais baixas de todos os quarks. Os quarks mais pesados ​​transformam-se rapidamente em quarks up e down através de um processo de decaimento de partículas : a transformação de um estado de massa superior para um estado de massa inferior. 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 envolvemraios 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 magnitude igual, mas sinal oposto .

O modelo de quark foi proposto independentemente pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig em 1964. [5] Os quarks foram introduzidos como partes de um esquema de ordenação de hádrons, e havia pouca evidência de sua existência física até experimentos de espalhamento inelástico profundo na Universidade de Stanford . Linear Accelerator Center em 1968. [6] [7] Os experimentos do programa acelerador forneceram evidências para todos os seis tipos. O quark top, observado pela primeira vez no Fermilab em 1995, foi o último a ser descoberto. [5]

Classificação

Veja também: Modelo Standard
Uma mesa de quatro por quatro de partículas. As colunas são três gerações de matéria (férmions) e uma de forças (bósons). Nas primeiras três colunas, duas linhas contêm quarks e dois léptons. As colunas das duas primeiras linhas contêm quarks up (u) e down (d), charm (c) e strange (s), quarks top (t) e bottom (b) e fótons (γ) e glúons (g). , respectivamente. As colunas das duas linhas inferiores contêm neutrino de elétron (ν sub e) e elétron (e), neutrino de múon (ν sub μ) e múon (μ) e neutrino de 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 do Modelo Padrão são quarks (mostrado 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 tipos de quarks (
q
), nomeado (
você
), para baixo (
d
), estranho (
s
), charme (
c
), inferior (
b
) e superior (
t
). [4] 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. Como acontece com a antimatéria em geral, os antiquarks têm a mesma massa, tempo de vida médio e rotação de seus respectivos quarks, mas a carga elétrica e outras cargas têm o sinal oposto. [8]

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. [9] 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 (ver "Forte interação e carga de cores " abaixo).

Os quarks que determinam os números quânticos de hádrons são chamados de quarks de valência ; além destes, qualquer hádron pode conter um número indefinido de quarks, antiquarks e glúons " marinhos " virtuais , que não influenciam seus números quânticos. [10] Existem duas famílias de hádrons: bárions , com três quarks de valência, e mésons , com um quark de valência e um antiquark. [11] Os bárions mais comuns são o próton e o nêutron, os blocos de construção do núcleo atômico . [12] Um grande número de hádrons é conhecido (ver lista de bárions elista 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 o início do modelo quark [13] , mas não descoberto até o início do século XXI. [14] [15] [16] [17]

Os férmions elementares são agrupados em três gerações , cada uma compreendendo dois léptons e dois quarks. A primeira geração inclui os quarks up e down, a segunda os quarks strange e charm, e a terceira os quarks bottom e top. Todas as buscas por uma quarta geração de quarks e outros férmions elementares falharam, [18] [19] e há fortes evidências indiretas de que não existem mais de três gerações. [nb 2] [20] [21] [22] Partículas em gerações mais altas geralmente têm massa maior e menos estabilidade, fazendo com que elas decaiam em partículas de geração mais baixa por meio de interações fracas. Somente os 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 nas 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 quark ). Estudos de quarks mais pesados ​​são conduzidos em condições criadas artificialmente, como em aceleradores de partículas . [23]

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. [12] 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 nenhuma teoria quântica da gravidade bem-sucedida , a gravitação não é descrita pelo Modelo Padrão.

Consulte a tabela de propriedades abaixo para obter uma visão geral 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 [24] e George Zweig [25] [26] em 1964. [5] A proposta surgiu logo após a formulação de Gell-Mann em 1961 de um sistema de classificação de partículas conhecido como Via Óctupla – ou, em termos mais técnicos, simetria do sabor SU(3) , simplificando sua estrutura. [27] O físico Yuval Ne'eman desenvolveu independentemente um esquema semelhante ao Caminho Óctuplo no mesmo ano. [28] [29] 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 sim compostas de combinações de quarks e antiquarks. Seu modelo envolveu três tipos de quarks, up , down e strange , aos quais eles atribuíram propriedades como spin e carga elétrica. [24] [25] [26] A reação inicial da comunidade de físicos à proposta foi mista. Houve uma disputa particular sobre se o quark era uma entidade física ou uma mera abstração usada para explicar conceitos que não eram totalmente compreendidos na época. [30]

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 eles chamaram de charme . A adição foi proposta porque permitia uma melhor descrição da interação fraca (o mecanismo que permite o decaimento dos quarks), equalizava o número de quarks conhecidos com o número de léptons conhecidos e implicava uma fórmula de massa que reproduzia corretamente as massas dos mésons conhecidos . [31]

Experimentos profundos de espalhamento inelástico conduzidos em 1968 no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) e publicados em 20 de outubro de 1969, mostraram que o próton continha objetos pontuais muito menores e, portanto, não era uma partícula elementar. [6] [7] [32] Os físicos estavam relutantes em identificar firmemente esses objetos com quarks na época, chamando-os de " partons " - um termo cunhado por Richard Feynman . [33] [34] [35] Os objetos que foram observados no SLAC seriam mais tarde identificados como quarks up e down à medida que os outros sabores foram descobertos. [36]No entanto, "parton" permanece em uso como um termo coletivo para os constituintes dos hádrons (quarks, antiquarks e gluons ).

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 bárion lambda então decai em um próton e um píon negativo, produzindo um padrão em "V".
Fotografia do evento que levou à descoberta do
Σ++
cbárion , no Brookhaven National Laboratory em 1974

A existência do estranho quark foi indiretamente validada pelos experimentos de espalhamento do SLAC: não apenas era um componente necessário do modelo de três quarks de Gell-Mann e Zweig, mas forneceu uma explicação para o kaon (
k
) e píon (
π
) hádrons descobertos em raios cósmicos em 1947. [37]

Em um artigo de 1970, Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani apresentaram o mecanismo GIM (nomeado por suas iniciais) para explicar a não observação experimental de correntes neutras que alteram o sabor . Este modelo teórico exigia a existência do ainda não descoberto quark charm . [38] [39] O número de supostos sabores de quark cresceu para os atuais seis em 1973, quando Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa observaram que a observação experimental da violação de CP [nb 3] [40] poderia ser explicada se houvesse outro par de quarks.

Os quarks Charm foram produzidos quase simultaneamente por duas equipes em novembro de 1974 (ver Revolução de Novembro ) – uma no SLAC sob a direção de Burton Richter e outra no Brookhaven National Laboratory sob a direção de Samuel Ting . Os quarks charm foram observados ligados a antiquarks charm em mésons. As duas partes haviam atribuído ao meson descoberto dois símbolos diferentes, J e ψ ; assim, tornou-se formalmente conhecido como o
J/ψ
. _ A descoberta finalmente convenceu a comunidade física da validade do modelo quark. [35]

Nos anos seguintes, surgiram várias sugestões para estender o modelo de quarks para seis quarks. Destes, o artigo de 1975 de Haim Harari [41] foi o primeiro a cunhar os termos top e bottom para os quarks adicionais. [42]

Em 1977, o quark bottom foi observado por uma equipe do Fermilab liderada por Leon Lederman . [43] [44] Este foi um forte indicador da existência do quark top: sem o quark top, o quark bottom não teria um parceiro. Foi somente em 1995 que o quark top foi finalmente observado, também pelas equipes CDF [45] e DØ [46] no Fermilab. [5] Tinha uma massa muito maior do que o esperado, [47] quase tão grande quanto a de um átomo de ouro . [48]

Etimologia 

Por algum tempo, Gell-Mann ficou indeciso sobre uma grafia real para o termo que pretendia cunhar, até que encontrou a palavra quark no livro Finnegans Wake de James Joyce , de 1939 : [49]

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

A palavra quark é uma palavra inglesa desatualizada que significa coaxar [50] e as linhas citadas acima são sobre um coro de pássaros zombando do rei Mark da Cornualha na lenda de Tristão e Isolda . [51] Especialmente nas partes de língua alemã do mundo, há uma lenda difundida, no entanto, que Joyce o tirou da palavra Quark , [52] uma palavra alemã de origem eslava que denota um requeijão , [53] mas também é um termo coloquial para "absurdo trivial". [54]A lenda diz que ele o ouviu em uma viagem à Alemanha em um mercado de agricultores em Freiburg . [55] [56] Alguns autores, no entanto, defendem uma possível origem alemã da palavra quark de Joyce . [57] Gell-Mann entrou em mais detalhes sobre o nome do quark em seu livro de 1994, The Quark and the Jaguar : [58]

Em 1963, quando atribuí o nome "quark" aos constituintes fundamentais do núcleon, tinha primeiro o som, sem a grafia, que poderia ter sido "kwork". Então, em uma de minhas leituras ocasionais de Finnegans Wake , de James Joyce, me deparei com a palavra "quark" na frase "Três quarks para Muster Mark". Uma vez que "quark" (que significa, por um lado, o grito da gaivota) foi claramente destinado a rimar com "Mark", bem como "bark" 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 normalmente extraídas de várias fontes ao mesmo tempo, como o " portmanteau ". De tempos em tempos, ocorrem frases no livro que são parcialmente determinadas por pedidos de bebidas no bar. Argumentei, portanto, que talvez uma das múltiplas fontes do grito "Three quarks for Muster Mark" possa ser "Three quarts for Mister Mark", caso em que a pronúncia "kwork" não seria totalmente injustificada. De qualquer forma, o número três se encaixava perfeitamente no modo como os quarks ocorrem na natureza.

Zweig preferia o nome ás para a partícula que ele havia teorizado, mas a terminologia de Gell-Mann ganhou destaque uma vez que o modelo quark foi comumente aceito. [59]

Os sabores de quark receberam seus nomes por vários motivos. Os quarks up e down são nomeados após os componentes up e down do isospin , que eles carregam. [60] Quarks estranhos receberam esse nome porque foram descobertos como componentes de partículas estranhas descobertas em raios cósmicos anos antes de o modelo de quark ser proposto; essas partículas foram consideradas "estranhas" porque tinham uma vida extraordinariamente longa. [61] Glashow, que co-propôs o charm quark com Bjorken, disse: "Chamamos nossa construção de 'charmed quark', pois ficamos fascinados e satisfeitos com a simetria que trouxe ao mundo subnuclear." [62]Os nomes "bottom" e "top", cunhados por Harari, foram escolhidos por serem "parceiros lógicos para os quarks up e down". [41] [42] [61] Nomes alternativos para os quarks bottom e top são "beauty" e "truth" respectivamente, [nb 4] mas esses nomes caíram um pouco em desuso. [66] Embora a "verdade" nunca tenha pegado, os complexos aceleradores dedicados à produção massiva de quarks bottom são às vezes chamados de " fábricas de beleza ". [67]

Propriedades 

Carga elétrica

Veja também: 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 referidos como quarks do tipo up ) têm uma carga de +2/3 e; os quarks down, strange e bottom ( quarks do tipo down ) têm uma carga de -1/3 e. Os antiquarks têm carga oposta à dos quarks correspondentes; antiquarks do tipo up têm cargas de -2/3 antiquarks do tipo e e 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. [68] Por exemplo, os hádrons constituintes dos 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. [12]

Girar 

Veja também: Spin (física)

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 tanto equivocada em escalas subatômicas porque acredita-se que as partículas elementares sejam pontuais . [69]

O spin pode ser representado por um vetor cujo comprimento é medido em unidades da constante reduzida de Planck ħ (pronuncia-se "h bar"). Para quarks, uma medição do componente do vetor de rotação ao longo de qualquer eixo pode produzir apenas os valores +ħ/2ou -ħ/2; por esta razão, os quarks são classificados como spin-1/2partículas. [70] A componente de rotação ao longo de um determinado eixo – por convenção, o eixo z – é muitas vezes indicada 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↑. [71]

Fraca interação 

Ver artigo principal: interação fraca
Um diagrama de árvore que consiste principalmente em setas retas. Um quark down se bifurca em um quark up e um bóson de seta ondulada W[sobrescrito menos] , o último se bifurcando em um elétron e um antineutrino de elétron de seta invertida.
Diagrama de Feynman de 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 por meio da interação fraca, uma das quatro interações fundamentais na física de partículas. Ao absorver ou emitir um bóson W , qualquer quark do tipo up (quarks up, charm e top) pode se transformar em qualquer quark do tipo down (quarks down, strange e bottom) e vice-versa. Este mecanismo de transformação do sabor causa o processo radioativo de decaimento beta , no qual um nêutron (
n
) "se divide" em um próton (
p
), um elétron (
e−
) e um antineutrino do elétron (
ν
e) (Ver foto). Isso ocorre quando um dos quarks down no nêutron (
você

d

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

você

d
). O
C−
bóson então decai em um elétron e um antineutrino de elétron. [72]

  
n
→  
p
+
e−
+
ν
e		(Decaimento beta, notação de hádron)

você

d

d
→
você

você

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

Tanto o decaimento beta quanto o processo inverso de 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" notadas como "quarks do tipo up" ficam acima de três bolas "d", "s", "b" notadas como "quarks do tipo down". As bolas "u", "c" e "t" estão 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"
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 do sabor seja o mesmo para todos os quarks, cada quark tem preferência para 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). Reforçando a unitariedade , as magnitudes aproximadas das entradas da matriz CKM são: [73]

onde V ij representa a tendência de um quark de sabor i se transformar em um quark de sabor j (ou vice-versa). [nota 5]

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). [74] Juntas, as matrizes CKM e PMNS descrevem todas as transformações de sabor, mas as ligações entre as duas ainda não estão claras. [75]

Forte interação e carga de cores

Veja também: Carga de cores e Interação forte
Uma seta verde e uma magenta ("antiverde") cancelando-se mutuamente em branco, representando um méson; uma seta vermelha, uma verde e uma azul se anulando para o branco, representando um bárion; uma seta amarela ("antiblue"), uma magenta e uma ciano ("antired") 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 quark, 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, rotulados arbitrariamente como azul , verde e vermelho . [nota 6] Cada um deles é complementado por um anticor – antiazul , antiverde e antivermelho . Todo quark carrega uma cor, enquanto todo antiquark carrega uma anticor. [76]

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 vinculado com um antiquark carregando a anticor correspondente. O resultado da atração de dois quarks 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. _ Isso é análogo ao modelo de cor aditiva 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 . [77]

Na física de partículas moderna, 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 em quarks e é a simetria que define a cromodinâmica quântica. [78] Assim como as leis da física são independentes de quais direções no espaço são designadas x , y e z, e permanecem inalterados se os eixos coordenados forem girados para uma nova orientação, a física da cromodinâmica quântica é independente de quais direções no espaço de cores tridimensional são identificadas como azul, vermelho e verde. As transformações de cores SU(3) c correspondem a "rotações" no espaço de cores (que, matematicamente falando, é um espaço complexo ). Cada sabor de quark f , cada um com subtipos f B , f G , f R correspondentes às cores do quark, [79] forma um trio: um campo quântico de três componentes que se transforma sob a representação fundamental de SU(3) c. [80] A exigência de que SU(3) c seja local – ou seja, 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 glúon para atuar como seus portadores de força. [78] [81]

Massa

Massas de quark 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.
Veja também: Massa invariante

Dois termos são usados ​​para se referir à massa de um quark: a massa atual do quark refere-se à massa de um quark por si só, enquanto a massa constituinte do quark refere-se à massa atual do quark mais a massa do campo de partículas de glúon ao redor do quark. [82] Essas massas geralmente 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 da cromodinâmica quântica (QCBE) – e é isso que contribui tanto para a massa total do hádron (veja massa na relatividade especial). Por exemplo, um próton tem uma massa de aproximadamente938  MeV/ c 2 , dos quais a massa restante de seus três quarks de valência contribui apenas com cerca de9 MeV/ c 2 ; muito do restante pode ser atribuído à energia de campo dos glúons [83] [84] (ver 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 de ~173 GeV/ c 2 , quase a massa de um átomo de ouro, [83] [85] pode revelar mais sobre a origem da massa de quarks e outras partículas elementares. [86]

Tamanho

Na 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 que 10 -19 metros. [87]

Tabela de propriedades

Veja também: Sabor (física de partículas)

A tabela a seguir resume as principais propriedades dos seis quarks. 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 [83]
PartículaMassa * ( MeV/ c 2 )JBQ ( e )eu 3CSTB'antipartícula
NomeSímboloNomeSímbolo
Primeira geração
acima
você
2,3 ± 0,7  ± 0,51/2+1/3+2/3+1/20000anti-up
você
abaixo
d
4,8 ± 0,5  ± 0,31/2+1/3−1/3−1/20000antidown
d
Segunda geração
charme
c
1275 ± 251/2+1/3+2/30+1000anticharme
c
estranho
s
95 ± 51/2+1/3−1/300−100antiestranho
s
Terceira geração
principal
t
173 210 ± 510 ± 710 *1/2+1/3+2/3000+10antitopo
t
fundo
b
4180 ± 301/2+1/3−1/30000−1antifundo
b

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

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

Quarks em interação 

Veja também: Confinamento de cor e Gluon

Conforme descrito pela cromodinâmica quântica , a forte interação entre os quarks é mediada por glúons, bósons vetoriais sem massa . Cada glúon carrega uma carga de cor e uma carga 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 uma rede virtual .processo 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 gluon vermelho-antiverde, ele se torna verde, e se um quark verde absorve um gluon vermelho-antiverde, ele se torna vermelho. Portanto, embora a cor de cada quark mude constantemente, sua forte interação é preservada. [88] [89] [90]

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. [91] Por outro lado, à medida que a distância entre os quarks aumenta, a força de ligação se fortalece. O campo de cores torna-se tenso, assim como um elástico é tensionado quando esticado, e mais glúons de cores apropriadas são criados espontaneamente para fortalecer o campo. Acima de um certo limite de energia, pares de quarks e antiquarks são criados . Esses pares se ligam aos quarks sendo separados, causando a formação de novos hádrons. Esse fenômeno é conhecido como confinamento de cores : os quarks nunca aparecem isolados. [92][93] Este processo de hadronização ocorre antes que os quarks, formados em uma colisão de alta energia, sejam capazes de interagir de qualquer outra maneira. A única exceção é o quark top, que pode decair antes de hadronizar. [94]

Quarks marinhos

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 marinhos produz um glúon. O resultado é um fluxo constante de divisões e criações de glúon, coloquialmente conhecidas como "o mar". [95] Os quarks do mar são muito menos estáveis ​​do que suas contrapartes de valência, e eles normalmente se aniquilam dentro do hádron. Apesar disso, os quarks do mar podem se transformar em partículas bariônicas ou mesônicas sob certas circunstâncias. [96]

Outras fases da matéria quark

Ver artigo principal: questão QCD
O plasma de quark-gluon existe em temperaturas muito altas; a fase hadrônica existe em temperaturas e densidades bariônicas mais baixas, em particular a 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 fase da matéria quark. Os detalhes precisos do diagrama são objeto de pesquisas em andamento. [97] [98]

Sob condições suficientemente extremas, os quarks podem se tornar "desconfinados" fora dos estados limitados e se propagar como excitações "livres" termalizadas no meio maior. No curso da liberdade assintótica , a interação forte torna-se mais fraca em temperaturas crescentes. 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 . [99]

As condições exatas necessárias para dar origem a esse 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 . [100] Embora um estado de quarks e glúons totalmente livres nunca tenha sido alcançado (apesar de inúmeras tentativas do CERN nas décadas de 1980 e 1990), [101] experimentos recentes no Relativistic Heavy Ion Collider produziram evidências de quarks semelhantes a líquidos exibindo movimento fluido "quase perfeito" . [102]

O plasma quark-gluon 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 do quark ), o universo estava cheio de plasma quark-gluon, pois a temperatura era muito alta para os hádrons ficarem estáveis. [103]

Dadas densidades de bárions suficientemente altas e temperaturas relativamente baixas – possivelmente comparáveis ​​àquelas encontradas em estrelas de nêutrons – espera-se que a matéria de quarks degenere em um líquido Fermi de quarks de interação fraca. Este líquido seria caracterizado por uma condensação de pares coloridos de quarks Cooper , quebrando assim a simetria local SU(3) c . Como os pares de quark Cooper abrigam carga de cor, tal fase da matéria quark seria supercondutora de cor ; ou seja, a carga de cor seria capaz de passar por ele sem resistência. [104]

Wikipédia, informa

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/ c 2 . 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 as interações fracas se comportem de maneira diferente quando esquerda e direita são trocadas ( P simetria ) e as partículas são substituídas por suas antipartículas correspondentes ( C simetria ).
  4. ↑ "Beauty" e "truth" são contrastados nas últimas linhas dopoema de Keats de 1819 " Ode on a Grecian Urn " e pode ter sido a origem desses nomes. [63] [64] [65]
  5. ↑ A probabilidade real de decaimento de um quark para outro é uma função complicada (entre outras variáveis) da massa do quark em decaimento, das massas dos produtos de decaimento e do elemento correspondente da matriz CKM. Esta 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.

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