Quark: diferència entre les revisions
Contingut suprimit Contingut afegit
Cap resum de modificació |
Propietats |
||
Línia 393:
Els quarks tenen càrrega elèctrica, massa, càrrega de color i sabor; en conseqüència, són les úniques partícules conegudes de les quatre [[forces fonamentals]] de la física contemporània: electromagnetisme, gravitació, força nuclear forta i força nuclear feble.<ref name="Knowing" /> La gravitació és prou dèbil per a ser irrellevant en interaccions individuals entre partícules, excepte en casos extrems d'energia ([[energia de Planck]]) i de distància ([[longitud de Planck]]). No obstant això, com que no hi ha cap teoria convincent de la [[gravetat quàntica]], la gravitació no està descrita per al model estàndard.
== Propietats ==
=== Càrrega elèctrica ===
{{Vegeu també|Càrrega elèctrica}}
Els quarks tenen càrregues elèctriques [[Fracció|fraccionàries]]: {{Frac|1|3}} o {{Frac|2|3}} vegades la [[càrrega elemental]] (e), segons el sabor. Els quarks dalt, encant i cim (col·lectivament anomenats ''quarks de tipus dalt'') tenen una càrrega de +{{Frac|2|3}} e, mentre que els quarks baix, estrany i fons (''quarks de tipus baix'') la tenen de −{{Frac|1|3}} e. Els antiquarks tenen la càrrega oposada del seus respectius tipus; els antiquarks de tipus dalt tenen càrregues de −{{Frac|2|3}} e i els de tipus baix de +{{Frac|1|3}} e. Com que la càrrega elèctrica d'un [[hadró]] és la suma de les càrregues dels quarks que el constitueixen, tots els hadrons tenen càrregues enteres: la combinació de tres quarks (barions), tres antiquarks (antibarions) o un quark i un antiquark (mesons) sempre resulten en un nombre enter de vegades la càrrega elemental.<ref>
{{cite book
|author=G. Fraser
|title=The New Physics for the Twenty-First Century
|page=91
|publisher=[[Cambridge University Press]]
|year=2006
|isbn=0-521-81600-9
}}</ref> Per exemple, els hadrons que constitueixen els nuclis atòmics, els neutrons i els protons, tenen càrregues de 0 e i +1 e respectivament; un neutró es composa per dos quarks baix i un quark dalt i un protó de dos quarks dalt i un quark baix.<ref name="Knowing" />
=== Espín ===
{{Vegeu també|Espín}}
L'espín és una propietat intrínseca de les partícules elementals i la seva direcció és un [[Graus de llibertat (física)|grau de llibertat]] important. Sovint es visualitza com la rotació d'un objecte al voltant del seu propi eix, encara que aquesta noció és en certa manera equívoca a escala subatòmica ja que es creu que les partícules elementals són [[Partícula puntual|puntuals]].<ref>
{{cite web
|title=The Standard Model of Particle Physics
|url=http://www.bbc.co.uk/dna/h2g2/A666173
|publisher=BBC
|year=2002
|accessdate=2009-04-19
}}</ref>
L'espín es pot representar com un [[Vector (matemàtiques)|vector]] la longitud del qual es mesura en unitats de la [[constant reduïda de Plank]], ''ħ'' (llegida «h barra»). Pels quarks, la mesura de la component del vector espín al llarg d'un eix qualsevol només pot prendre els valors +''ħ''/2 o −''ħ''/2; per aquesta raó els quarks es classifiquen com a partícules d'[[espín-½|espín-{{Frac|1|2}}]].<ref>
{{cite book
|author=F. Close
|title=The New Cosmic Onion
|pages=80–90
|publisher=[[CRC Press]]
|year=2006
|isbn=1-58488-798-2
}}</ref> La component de l'espín al llarg d'un eix donat –per convenció l'eix ''z''– sovint es denota amb una fletxa cap amunt ↑ pel valor +{{Frac|1|2}} i amb una fletxa cap avall ↓ pel valor −{{Frac|1|2}}, situada després del símbol del sabor en qüestió. Per exemple, un quark dalt amb un espín de +{{Frac|1|2}} al llarg de l'eix ''z'' es denotaria per u↑.<ref>
{{cite book
|author=D. Lincoln
|title=Understanding the Universe
|page=116
|publisher=[[World Scientific]]
|year=2004
|isbn=981-238-705-6
}}</ref>
=== Força nuclear feble ===
{{Main|Força nuclear feble}}
[[Image:Beta Negative Decay.svg|thumb|right|192px|upright|[[Diagrama de Feynman]] de la [[Radioactivitat beta|desintegració beta]] amb el temps fluint cap amunt. La matriu CKM codifica la probabilitat d'aquesta i altres desintegracions de quarks.]]
Un quark d'un cert sabor es pot transformar en un quark d'un altre sabor només a través de la força nuclear feble, una de les quatre [[forces fonamentals]] de la física de partícules. A través de l'absorció o l'emissió d'un [[Bosons W i Z|bosó W]], qualsevol quark de tipus dalt (quarks dalt, encant i cim) es pot convertir en qualsevol quark de tipus baix (quark baix, estrany i fons) i viceversa. Aquest mecanisme de transformació de sabor causa el procés [[Radioactivitat|radioactiu]] de [[Radioactivitat beta|desintegració beta]], en què un neutró (n) es «divideix» en un protó (p), un [[electró]] (e<sup>-</sup>) i un [[Neutrí electrònic|antineutrí electrònic]] ({{antipartícula|ν}}{{sub|e}}), com s'aprecia a la imatge. Això passa quan un dels quarks baix del neutró (udd) es desintegra en un quark dalt emetent un bosó W{{sup|-}} [[Partícula virtual|virtual]], transformant el neutró en un protó (uud). Seguidament el bosó W{{sup|-}} es desintegra en un electró i un antineutrí electrònic.<ref name="SLAC">
{{cite web
|title=Weak Interactions
|url=http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/weakinteract.html
|work=Virtual Visitor Center
|publisher=[[Stanford Linear Accelerator Center]]
|year=2008
|accessdate=2008-09-28
}}</ref>
{| style="margin:auto;" cellpadding="5%"
|-
| n|| → || p ||+|| e{{sup|-}} ||+|| {{antipartícula|ν}}{{sub|e}} || (Desintegració beta en notació hadrònica)
|-
| udd || → || uud ||+|| e{{sup|-}} ||+|| {{antipartícula|ν}}{{sub|e}} || (Desintegració beta en notació de quarks)
|}
Tant la radioactivitat beta com el seu ''[[Radioactivitat beta inversa|invers]]'' s'empren de forma rutinària en medicina en [[Tomografia per emissió de positrons|tomografies per emissió de positrons]] (TEP) i en experiments que involucren la detecció de neutrins.
[[Image:Quark weak interactions.svg|thumb|271px|left|Les forces de les interaccions febles entre els sis tipus de quark. La «intensitat» de les línies ve determinada pels elements de la matriu CKM.]]
Tot i que el procés de transformació de sabors és el mateix per tots els quarks, cada quark té preferència per transformar-se en el quark de la seva pròpia generació. Les tendències relatives de totes les transformacions de sabor es descriuen a través d'una [[Matriu (matemàtiques)|taula matemàtica]], anomenada [[matriu Cabibbo-Kobayashi-Maskawa]] (matriu CKM). Expressades unitàriament, les [[Valor absolut|magnituds]] de les entrades de la matriu CKM són:<ref name="PDG2010">
{{cite journal
|author=K. Nakamura|year=2010
|title=Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix
|url=http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-ckm-matrix.pdf
|journal=J. Phys. G
|volume=37 |issue=75021 |page=150
|doi=
|display-authors=etal}}</ref>
:<math alt="|V_ud| ≅ 0.974; |V_us| ≅ 0.225; |V_ub| ≅ 0.003; |V_cd| ≅ 0.225; |V_cs| ≅ 0.973; |V_cb| ≅ 0.041; |V_td| ≅ 0.009; |V_ts| ≅ 0.040; |V_tb| ≅ 0.999.">
\begin{bmatrix} |V_\mathrm {ud}| & |V_\mathrm {us}| & |V_\mathrm {ub}| \\ |V_\mathrm {cd}| & |V_\mathrm {cs}| & |V_\mathrm {cb}| \\ |V_\mathrm {td}| & |V_\mathrm {ts}| & |V_\mathrm {tb}| \end{bmatrix} \approx
\begin{bmatrix} 0.974 & 0.225 & 0.003 \\ 0.225 & 0.973 & 0.041 \\ 0.009 & 0.040 & 0.999 \end{bmatrix},</math>
on ''V''<sub>''ij''</sub> representa la tendència d'un quark de sabor ''i'' a convertir-se en un de sabor ''j'' (o viceversa).<ref group="nota">La vertadera probabilitat de desintegració d'un quark en un altre és una funció complicada de la massa en desintegració del quark, les masses del [[producte de desintegració]] i l'element corresponent de la matriu CKM, entre d'altres. Aquesta probabilitat és directament proporcional (però no igual) a la magnitud quadrada de l'entrada corresponent de la CKM, ''V''<sub>''ij''</sub>|<sup>2</sup>.</ref>
Existeix una matriu equivalent per la força nuclear feble pels leptons, l'anomenada [[Matriu PMNS|matriu Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata]] (matriu PMNS).<ref>
{{cite journal
|author=Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata
|title=Remarks on the Unified Model of Elementary Particles
|url=http://ptp.ipap.jp/link?PTP/28/870/pdf
|journal=[[Progress of Theoretical Physics]]
|volume=28 |issue=5 |page=870
|year=1962
|doi=10.1143/PTP.28.870
|bibcode = 1962PThPh..28..870M }}</ref> Conjuntament, les matrius CKM i PMNS descriuen totes les transformacions de sabor, però la relació entre les dues encara no és clara.<ref>
{{cite journal
|author=B.C. Chauhan, M. Picariello, J. Pulido, E. Torrente-Lujan
|title=Quark–lepton complementarity, neutrino and standard model data predict {{PhysicsParticle|θ|TR=PMNS|BR=13}} = {{val|9|+1|-2|u=°}}<!-- See Section 2 -->
|journal=[[European Physical Journal]]
|volume=C50 |issue=3 |pages=573–578
|arxiv=hep-ph/0605032
|doi=10.1140/epjc/s10052-007-0212-z
|year=2007
|bibcode = 2007EPJC...50..573C }}</ref>
{{clear}}
===Força nuclear forta i càrrega de color===
{{Vegeu també|Càrrega de color|Força nuclear forta}}
[[Image:Hadron colors.svg|right|thumb|upright|Tots els tipus d'hadrons tenen càrrega de color total igual a zero.]]
[[File:Strong force charges.svg|200px|left|thumb|El patró de les càrregues fortes per els tres colors de quark, tres antiquarks i vuit gluons (dos d'ells amb càrrega zero superposats).]]
Segons la [[cromodinàmica quàntica]] (CDQ), els quarks posseeixen una propietat anomenada ''[[càrrega de color]]''. Hi ha tres tipus de càrrega de color, arbitràriament etiquetats com a ''blau'', ''verd'' i ''vermell''.<ref group="nota">Malgrat el seu nom, la càrrega de color no està relacionada amb l'espectre visible de la llum.</ref> Cada un d'ells està complementat per un anticolor –''antiblau'', ''antiverd'' i ''antivermell''. Cada quark disposa d'un color, mentre que cada antiquark d'un anticolor.<ref>
{{cite web
|author=R. Nave
|title=The Color Force
|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/color.html#c2
|work=[[HyperPhysics]]
|publisher=[[Georgia State University]], Department of Physics and Astronomy
|accessdate=2009-04-26
}}</ref>
El sistema d'atracció i repulsió entre els quarks carregats amb diferents combinacions dels tres colors s'anomena [[força nuclear forta]], que està intervinguda per les [[Partícula mediadora|partícules mediadores]] conegudes com a ''[[Gluó|gluons]]''; això es discuteix detalladament més avall. La teoria que descriu la força nuclear forta s'anomena cromodinàmica quàntica. Un quark, que té una única coloració, pot formar un [[Estat lligat|sistema lligat]] amb un antiquark de l'anticolor corresponent. El resultat de dos quarks en atracció serà la neutralitat de color: un quark amb càrrega de color ''ξ'' i un antiquark amb càrrega de color −''ξ'' resultarà en una càrrega de color de 0 (o color ''blanc'') i la formació d'un mesó. Aquest fet és anàleg a l'[[Síntesi additiva de color|addició de colors]] pròpia de l'[[òptica]] bàsica. Similarment, la combinació de tres quarks, cada un amb una càrrega de color diferent; o de tres antiquarks, cada un amb una càrrega d'anticolor diferent, resultarà en la mateixa càrrega ''blanca'' de color i en la formació d'un barió o antibarió.<ref>
{{cite book
|author=B.A. Schumm
|title=Deep Down Things
|pages=131–132
|publisher=[[Johns Hopkins University Press]]
|year=2004
|isbn=0-8018-7971-X
|oclc=55229065
}}</ref>
En la física de partícules moderna, les [[Teoria de gauge|simetries de gauge]] (un tipus de [[grup de simetria]]) relacionen les interaccions entre partícules. El color [[Grup unitari especial#El grup SU(3)|SU(3)]] (sovint abreujat SU(3)<sub>c</sub>) és la simetria de gauge que relaciona la càrrega de color en quarks i és la simetria que defineix la cromodinàmica quàntica.<ref name="PeskinSchroeder">Part III of
{{cite book
|title=An Introduction to Quantum Field Theory
|author=M.E. Peskin, D.V. Schroeder
|publisher=[[Addison–Wesley]]
|year=1995
|isbn=0-201-50397-2
}}</ref> Així com les lleis de la física són independents de quines direccions en l'espai es designen ''x'', ''y'' i ''z'' i romanen invariants si es roten els eixos, la física de la cromodinàmica quàntica és independent de quines direccions en l'espai tridimensional de color s'identifiquen com a blau, verd i vermell. Les transformacions de color SU(3)<sub>c</sub> corresponen a «rotacions» en l'espai de color (que, matemàticament parlant, és un [[espai complex]]). Cada sabor de quark ''f'', amb els subtipus ''f''<sub>B</sub>, ''f''<sub>G</sub>, ''f''<sub>R</sub> designant els colors de quark,<ref>
{{cite book
|author=V. Icke
|title=The force of symmetry
|page=216
|publisher=[[Cambridge University Press]]
|year=1995
|isbn=0-521-45591-X
}}</ref> forma una tripleta: un [[Teoria quàntica de camps|camp quàntic]] que es transforma sota la respresentació fonamental de SU(3)<sub>c</sub>.<ref>
{{cite book
|author=M.Y. Han
|title=A story of light
|page=78
|publisher=[[World Scientific]]
|year=2004
|isbn=981-256-034-3
}}</ref> El requisit que SU(3)<sub>c</sub> hauria de ser local –això és, que les seves transformacions estiguin permeses de variar amb l'espai i el temps– determina les propietats de la força nuclear forta, en particular l'existència de vuit tipus de gluons que n'actuen com a mediadors.<ref name="PeskinSchroeder"/><ref>
{{cite web
|author=C. Sutton
|title=Quantum chromodynamics (physics)
|url=http://www.britannica.com/EBchecked/topic/486191/quantum-chromodynamics#ref=ref892183
|work=[[Encyclopædia Britannica Online]]
|accessdate=2009-05-12
}}</ref>
=== Massa ===
[[Image:Quark masses as balls.svg|thumb|Comparació de les masses de cada quark despullat, amb representades en proporció amb el volum de les boles. Un [[protó]] i un [[electró]] (en vermell) apareixen representats al cantó inferior esquerre.]]
{{Vegeu també|Massa en repòs}}
Encara que es parla de la [[massa]] d'un quark en el mateix sentit que es parla de la massa d'una altra partícula qualsevol, la noció de massa en un quark és ambigua pel fet de no poder-se trobar sol a la naturalesa: en general sempre va acompanyat d'un [[gluó]]. Per això s'empren dos termes per referir-se a la massa d'un quark: la ''massa d'un quark despullat'' es refereix a la massa d'un quark per si mateix, mentre que la ''massa constituent d'un quark'' es refereix a la massa d'un quark despullat més la massa del [[Teoria quàntica de camps|camp de partícules]] degut als gluons que l'envolten.<ref>
{{cite book
|author=A. Watson
|title=The Quantum Quark
|pages=285–286
|publisher=[[Cambridge University Press]]
|year=2004
|isbn=0-521-82907-0
}}</ref> Aquestes masses acostumen a tenir valors molt diferents, ja que la major part de la massa d'un hadró prové dels gluons que lliguen els quarks constituents entre si i no dels quarks en si. Si bé els gluons manquen de massa de forma inherent, posseeixen energia –més concretament, energia de lligament de la cromodinàmica quàntica– que és la que contribueix tan enormement a la massa total de l'hadró (vegeu [[relativitat especial]]). Per exemple, un protó té una massa aproximadament de 938 MeV/c<sup>2</sup>, de la qual la massa en repòs dels seus tres quarks de valència només contribueix en 11 MeV/c<sup>2</sup>; la major part de la resta es pot atribuir a l'energia dels gluons.<ref name=PDGQuarks/><ref>
{{cite book
|author=W. Weise, A.M. Green
|title=Quarks and Nuclei
|pages=65–66
|publisher=[[World Scientific]]
|year=1984
|isbn=9971-966-61-1
}}</ref>
El model estàndard postula que les partícules elementals deriven les seves masses del [[mecanisme de Higgs]], que està relacionat amb el [[bosó de Higgs]]. Els físics confien que una major recerca en les raons de la gran massa del quark cim, ~173 GeV/c<sup>2</sup> (gairebé la massa d'un àtom d'[[or]]),<ref name=PDGQuarks/><ref>
{{cite book
|author=D. McMahon
|title=Quantum Field Theory Demystified
|page=17
|publisher=[[McGraw–Hill]]
|year=2008
|isbn=0-07-154382-1
}}</ref> desveli més informació sobre l'origen de la massa dels quarks i les altres partícules elementals.<ref>
{{cite book
|author=S.G. Roth
|title=Precision electroweak physics at electron–positron colliders
|page=VI
|publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer]]
|year=2007
|isbn=3-540-35164-7}}</ref>
=== Taula de propietats ===
| |||