¿Qué es un Quark? - Qué son, descubrimiento y características

El descubrimiento de los quarks revolucionó nuestra comprensión de la física subatómica. Además, ha tenido importantes implicaciones para campos, como la física de partículas, la biología, la biotecnología y la tecnología de la electricidad. En este artículo, exploraremos qué son los quarks, cómo se descubrieron y cuáles son sus características fundamentales.

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¿Qué significa Quark?

El término 'quark' fue acuñado por el físico estadounidense Murray Gell-Mann en 1964. Gell-Mann tomó el nombre de una línea en el libro 'Finnegan's Wake' de James Joyce que decía: 'Three quarks for Muster Mark!' ('¡Tres quarks para Muster Mark!').

La elección y explicación de este nombre fue en parte una broma, pero también refleja la idea de que los quarks son las unidades básicas de la materia, similares a las letras del alfabeto que componen las palabras.

Los quarks son partículas subatómicas elementales que son los componentes fundamentales de los protones y neutrones que componen los núcleos de los átomos.

¿Cuáles son las propiedades del Quark?

Los quarks tienen varias propiedades fundamentales que los distinguen de otras partículas subatómicas. Aquí hay algunas de sus características principales:

• Tamaño: Los quarks son las partículas elementales más pequeñas que conocemos. Tienen un tamaño teórico de aproximadamente 10^-18 metros (una millonésima de millonésima de milímetro), lo que los hace mucho más pequeños que los átomos y otras partículas subatómicas.
• Carga eléctrica: Los quarks tienen una carga eléctrica fraccionaria, lo que significa que su carga no es un múltiplo entero de la carga eléctrica elemental. Por ejemplo, los quarks 'arriba' y 'encantado' tienen cargas de +2/3 y -1/3 de la carga elemental, respectivamente.
• Masa: Los quarks tienen masas muy pequeñas, pero no son masas cero. La masa de los quarks es una de las razones por las que son tan difíciles de estudiar, ya que es difícil medirla directamente.
• Espín: Los quarks tienen un espín de 1/2, lo que significa que tienen una propiedad intrínseca que se relaciona con su momento angular.
• Color: Los quarks tienen una propiedad de 'color' que se refiere a la carga asociada con la fuerza nuclear fuerte que los mantiene unidos dentro de los hadrones (partículas compuestas por quarks). Sin embargo, el 'color' no se refiere a un color visual real, sino que es solo una metáfora utilizada por los físicos para describir la carga asociada con la fuerza nuclear fuerte.

Estas son solo algunas de las propiedades fundamentales de los quarks. Su comportamiento y propiedades son muy complejos y aún no se entienden completamente. Además, existen seis tipos diferentes de quarks, cada uno con sus propias propiedades y características. Estos son:

• Quark arriba (up): Tiene una carga eléctrica positiva de +2/3 y una masa de alrededor de 2 a 5 MeV/c². Es el segundo quark más ligero y se encuentra en los protones y neutrones que forman el núcleo de los átomos.
• Quark abajo (down): Tiene una carga eléctrica negativa de -1/3 y una masa de alrededor de 4 a 8 MeV/c². Es el quark más ligero y también se encuentra en los protones y neutrones.
• Quark encantado (charm): Tiene una carga eléctrica positiva de +2/3 y una masa de alrededor de 1.2 a 1.6 GeV/c². Fue descubierto en 1974 y su existencia fue confirmada en experimentos posteriores.
• Quark extraño (strange): Tiene una carga eléctrica negativa de -1/3 y una masa de alrededor de 80 a 130 MeV/c². Fue descubierto en 1947 y su nombre se debe a su capacidad para 'extrañar' la vida media de ciertos tipos de partículas.
• Quark cima (top): Tiene una carga eléctrica positiva de +2/3 y una masa de alrededor de 173 GeV/c². Es el quark más pesado y fue descubierto en 1995 en el Tevatron del Fermilab.
• Quark fondo (bottom): Tiene una carga eléctrica negativa de -1/3 y una masa de alrededor de 4 a 5 GeV/c². Fue descubierto en 1977 en el Fermilab.

¿Cuál es el tamaño de los Quarks?

Los quarks son las partículas elementales más pequeñas que conocemos y tienen un tamaño teórico de alrededor de 10^-18 metros (una millonésima de millonésima de milímetro).

Sin embargo, es importante tener en cuenta que el tamaño de los quarks no se puede medir directamente, ya que, siempre se  confinan dentro de otras partículas subatómicas, como protones y neutrones, debido a la fuerte interacción nuclear que los mantiene unidos. Por lo tanto, el tamaño de los quarks solo se puede estimar a partir de las propiedades de las partículas que componen.

¿Cuál es la masa de los Quarks?

Los quarks tienen masas muy pequeñas, pero no son masas cero. Es importante mencionar que la masa de los quarks no se puede medir directamente, sino que se estima a partir de sus efectos en otras partículas subatómicas en las que se encuentran confinados, como protones y neutrones.

Los quarks 'arriba' y 'abajo' son los dos quarks más ligeros, con masas que se estima que están en el rango de unos pocos megaelectronvoltios (MeV) / c^2 (la unidad de masa en física de partículas). En contraste, los quarks 'encantado', 'extraño', 'cima' y 'fondo' son más pesados, con masas que se estima que oscilan entre unos pocos cientos de MeV/c^2 y varios miles de MeV/c^2.

Cabe mencionar que, a pesar de que los quarks tienen masas muy pequeñas en comparación con otras partículas subatómicas, su masa es responsable de la mayor parte de la masa visible del universo, ya que la masa de los protones y neutrones está compuesta principalmente por la masa de los quarks que los componen.

¿Qué agrupación tienen los Quarks?

Los quarks nunca se encuentran solos en la naturaleza, siempre se unen en agrupaciones de dos o tres quarks para formar partículas más grandes llamadas hadrones. Los hadrones más comunes son los protones y neutrones, que se componen por combinaciones de quarks 'arriba' y 'abajo'.

Los quarks se combinan entre sí a través de la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Esta interacción fuerte es responsable de mantener unidos a los quarks dentro de los hadrones y de mantener unidos los protones y neutrones dentro del núcleo atómico.

Cada quark tiene una carga eléctrica fraccionaria y solo se han observado cargas enteras en la naturaleza. Exsto significa que los quarks nunca se encuentran libres en la naturaleza, sino siempre confinados en agrupaciones de hadrones.

¿Qué hay dentro de un Quark?

Los quarks son partículas elementales, lo que significa que no se pueden dividir en componentes más pequeños. Por lo tanto, no se sabe con certeza qué hay dentro de un quark.

En la teoría de la física de partículas conocida como cromodinámica cuántica (QCD), los quarks se describen como partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte y que llevan una propiedad llamada carga de color. La carga de color es similar a la carga eléctrica en la electromagnetismo, pero es un concepto diferente. Los quarks pueden tener una de tres posibles cargas de color: rojo, verde o azul, y los antiquarks tienen cargas de color antirrojo, antiverde o anti-azul.

En la teoría de QCD, los quarks se confinan dentro de hadrones debido a la fuerza fuerte. Esta fuerza es tan fuerte que la energía necesaria para separar un quark de un hadrón sería suficiente para crear una nueva pareja de quark-antiquark, y los quarks resultantes se recombinarían inmediatamente para formar nuevos hadrones. Por lo tanto, no es posible estudiar el interior de un quark directamente.

¿Cuánto es un Quark?

La estimación actual es que los quarks tienen un tamaño inferior a 10^-18 metros (un femtómetro), lo que es mucho más pequeño que el tamaño del núcleo atómico. Para poner esto en perspectiva, un átomo de hidrógeno, que es el átomo más simple y pequeño, tiene un diámetro de aproximadamente 0,1 nanómetros (10^-10 metros), lo que es unas 100 000 veces más grande que un quark.

Es importante señalar que la noción de tamaño para partículas subatómicas como los quarks no se puede entender en términos de dimensiones físicas familiares a nuestra escala cotidiana. Esto sucede porque las reglas de la mecánica cuántica rigen el comportamiento de estas partículas. Por lo tanto, aunque los quarks tienen una masa y una carga eléctrica, no se pueden considerar objetos sólidos con un tamaño bien definido.

En lugar de pensar en el tamaño de los quarks en términos de su diámetro físico, es más útil pensar en ellos como partículas con una longitud de onda asociada. La longitud de onda de un quark se refiere a la distancia que puede viajar antes de que se note su naturaleza de onda.

En el caso de los quarks, su longitud de onda es extremadamente pequeña, lo que significa que su comportamiento puede parecer más como una partícula que como una onda en la mayoría de las circunstancias.

¿Qué es más pequeño que un Quark?

Actualmente, no se conocen partículas subatómicas más pequeñas que los quarks. Los quarks se consideran partículas elementales, lo que significa que se consideran las unidades fundamentales de la materia. No se han encontrado pruebas experimentales de que los quarks tengan una estructura interna o que estén compuestos de otras partículas.

Es importante tener en cuenta que la noción de tamaño para partículas subatómicas como los quarks no se puede entender en términos de dimensiones físicas familiares a nuestra escala cotidiana, ya que las reglas de la mecánica cuántica rigen el comportamiento de estas partículas. Por lo tanto, aunque los quarks tienen una masa y una carga eléctrica, no se pueden considerar objetos sólidos con un tamaño bien definido.

¿Qué es más elemental un protón o un Quark?

Los quarks se consideran partículas elementales, lo que significa que se consideran las unidades fundamentales de la materia. Los protones, por otro lado, están compuestos de quarks y otras partículas subatómicas.

Cada protón está compuesto por dos quarks 'arriba' y un quark 'abajo' (uud), unidos por gluones, que son partículas de la fuerza nuclear fuerte que mantienen unidos los quarks en el proton. Por lo tanto, aunque los quarks son componentes fundamentales de los protones, los protones no se consideran partículas elementales debido a su estructura interna.

¿Qué es más grande un átomo o un Quark?

Un átomo es significativamente más grande que un quark. Un átomo es la unidad básica de la materia y está compuesto por un núcleo central de protones y neutrones, rodeado por electrones que orbitan alrededor del núcleo en capas. Los protones y neutrones en el núcleo del átomo están compuestos de quarks y otras partículas subatómicas.

La escala de tamaño de un átomo puede variar dependiendo del elemento y su estado físico. En general, el diámetro de un átomo típico es de aproximadamente 0.1 nanómetros (nm) o 1 angstrom. En contraste, el tamaño de un quark se mide en femtómetros (fm), que son aproximadamente 100,000 veces más pequeños que un nanómetro.

¿Qué es más pequeño un Quark o un neutrino?

En la física de partículas, los quarks y los neutrinos se consideran partículas elementales, lo que significa que se consideran las unidades fundamentales de la materia. Aunque los neutrinos tienen una masa muy pequeña, se cree que no tienen estructura interna, lo que significa que no están compuestos de otras partículas subatómicas.

Aunque tanto los quarks como los neutrinos son partículas elementales, la masa del neutrino es mucho más pequeña que la masa de cualquier quark. La masa del quark más ligero, el quark 'arriba', es de alrededor de 2 megaelectronvoltios (MeV), mientras que las masas de los neutrinos son del orden de 0.1 a 1 electronvoltio (eV).

Por otro lado, estan los bariones son un tipo de partícula subatómica que está compuesta por tres quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte. Los protones y neutrones, que son los componentes básicos del núcleo atómico, son ejemplos de bariones.