Cuark para niños
En el mundo de la física de partículas, los cuarks son partículas muy pequeñas que forman la materia. Son como los "ladrillos" fundamentales que construyen cosas más grandes, como los protones y neutrones que se encuentran en el centro de los átomos.
Los cuarks son un tipo de fermión, lo que significa que tienen una propiedad llamada espín de 1/2. Son únicos porque interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo.
Existen seis tipos diferentes de cuarks, a los que los científicos les han dado nombres curiosos:
- Cuark arriba (up)
- Cuark abajo (down)
- Cuark encantado (charm)
- Cuark extraño (strange)
- Cuark cima (top)
- Cuark fondo (bottom)
Los cuarks "arriba" y "abajo" son los más comunes y estables. Los otros cuatro cuarks son más pesados y pueden transformarse en cuarks más ligeros a través de la fuerza nuclear débil.
Una idea importante sobre los cuarks es que no se encuentran solos. Siempre están unidos en grupos, un fenómeno que los físicos llaman "confinamiento de color".
Los grupos de cuarks forman otras partículas llamadas hadrones. Hay dos tipos principales de hadrones:
- Mesones: Están hechos de un cuark y un anticuark (la antipartícula de un cuark).
- Bariones: Están hechos de tres cuarks o tres anticuarks. Los protones y neutrones son ejemplos de bariones.
En 2003 y 2015, se encontraron pruebas de hadrones más complejos, como los pentacuarks (con cinco cuarks), lo que demuestra que el mundo de las partículas es aún más fascinante.
Datos para niños Cuark q |
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|---|---|---|
 Un neutrón, compuesto por dos cuark abajo (d) y un cuark arriba (u). (El color asignado a cada cuark no es importante, solo lo es el que estén presentes los tres colores.)
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| Composición | Partícula elemental | |
| Familia | Fermión | |
| Generación | 1.ª, 2.ª, 3.ª | |
| Interacción | Gravedad, Nuclear débil, Nuclear fuerte, Electromagnetismo |
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| Antipartícula | Anticuark q | |
| Teorizada | Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964) |
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| Descubierta | SLAC (1968) | |
| Tipos | 6 (up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima), y bottom (fondo)) | |
| Carga eléctrica | +2/3 e −1/3 e |
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| Carga de color | Sí | |
| Espín | 1/2 | |
Contenido
¿Cómo se descubrieron los cuarks?
El Modelo de Cuarks: Una Idea Brillante
La idea de los cuarks surgió en 1964, cuando los científicos Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima intentaron organizar las muchas partículas que se habían descubierto. Antes, se pensaba que los átomos eran las unidades más pequeñas de la materia. Luego se descubrió que los átomos tenían un núcleo y electrones. Más tarde, se vio que el núcleo estaba hecho de protones y neutrones.
Pero con el tiempo, los científicos encontraron aún más partículas. Era como un "zoológico" de partículas. Gell-Mann y Nishijima propusieron que todas estas partículas más grandes estaban hechas de algo aún más pequeño: los cuarks.
La Prueba Experimental: Viendo lo Invisible
A mediados de los años 60, los científicos sabían que los protones tenían un tamaño muy pequeño. Richard Feynman sugirió que los hadrones (como los protones) tenían "subestructuras" a las que llamó "partones".
Entre 1967 y 1973, se realizaron experimentos importantes en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC). Lanzaron electrones a alta velocidad contra protones para ver cómo se dispersaban. Estos experimentos eran similares a los que hizo Ernest Rutherford para descubrir el núcleo atómico.
Los resultados mostraron que los protones no eran "suaves" por dentro, sino que tenían pequeñas partículas cargadas. ¡Esas partículas eran los cuarks! Por este descubrimiento, los científicos Richard Edward Taylor, Henry Kendall y Jerome Friedmann recibieron el premio Nobel de Física en 1990. Más tarde, otros experimentos en el CERN confirmaron que los "partones" de Feynman eran los mismos que los cuarks.
Tipos de Cuarks y sus Propiedades
Las Generaciones de Cuarks
En 1967, solo se conocían los cuarks "arriba", "abajo" y "extraño". Pero en 1970, los científicos predijeron la existencia de un cuarto cuark, el "encantado", para explicar ciertos fenómenos. Este cuark fue descubierto en 1974.
Luego, se propuso que debía haber un quinto y un sexto cuark, llamados "cima" y "fondo". Los científicos Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa predijeron que estos cuarks eran necesarios para entender por qué algunas partículas se comportan de manera diferente a sus antipartículas (un fenómeno llamado "cambio de simetría CP"). El cuark "fondo" se descubrió en 1977 y el "cima" en 1995.
El Modelo Estándar de la física agrupa a las partículas en "generaciones". Cada generación tiene dos cuarks y dos leptones. La masa de las partículas aumenta con cada generación.
- Primera generación: Cuarks arriba (u) y abajo (d).
- Segunda generación: Cuarks encantado (c) y extraño (s).
- Tercera generación: Cuarks fondo (b) y cima (t).
Las anticuarks son las antipartículas de los cuarks. Tienen la misma masa y espín, pero su carga es opuesta.
Propiedades Físicas de los Cuarks
Los cuarks no se encuentran solos en la naturaleza. Siempre se agrupan para formar hadrones.
- Mesones: Formados por un cuark y un anticuark.
- Bariones: Formados por tres cuarks o tres anticuarks (como los protones y neutrones).
Aquí tienes algunas propiedades importantes de los cuarks:
| Nombre | Símbolo | Generación | Carga | Masa (MeV/c2) |
|---|---|---|---|---|
| arriba (up) | u | 1 | +⅔ | 1.5 |
| abajo (down) | d | 1 | −⅓ | 4.0 |
| encanto (charm) | c | 2 | +⅔ | 1150‑1350 |
| extraño (strange) | s | 2 | −⅓ | 80‑130 |
| cima (top) | t | 3 | +⅔ | 170900 ± 1800 |
| fondo (bottom) | b | 3 | −⅓ | 4100‑4400 |
Junto con los leptones, los cuarks forman casi toda la materia que nos rodea. Los cuarks "arriba" y "abajo" son especialmente importantes porque forman los protones y neutrones, que a su vez forman los núcleos de los átomos.
Carga Eléctrica
Los cuarks tienen una carga eléctrica que es una fracción de la carga elemental: +2/3 o -1/3. Por eso, las partículas que forman (hadrones) siempre tienen una carga eléctrica completa (como +1, -1 o 0). Nunca se han observado cuarks con carga fraccionaria de forma aislada.
Masa
La masa de un cuark es un concepto un poco complejo porque los cuarks nunca están solos. Siempre están unidos por otras partículas llamadas gluones. La masa de los cuarks más pesados, como el "encantado" y el "fondo", se calcula a partir de la masa de los hadrones que los contienen. El cuark "cima" es tan pesado que se desintegra antes de formar un hadrón, por lo que su masa se puede medir directamente.
Sabor
Los cuarks tienen una propiedad llamada "sabor". Debido a la interacción débil, los cuarks pueden cambiar de un tipo a otro. Por ejemplo, un cuark "arriba" puede transformarse en un cuark "abajo". Las partículas que permiten estos cambios de sabor son los bosones W y Z. Cada cuark tiene un sabor diferente que interactúa de forma única con estos bosones.
Carga de Color
Además de la carga eléctrica, los cuarks tienen otra propiedad llamada "carga de color". Esta propiedad no tiene nada que ver con los colores que vemos, sino que es una especie de "carga" que los une fuertemente. Hay tres "colores" para los cuarks: rojo, verde y azul. Los cuarks siempre se combinan de manera que el "color" total del grupo sea "blanco" o neutro. Por eso, se dice que existen dieciocho tipos de cuarks: seis sabores, y cada uno con tres colores.
¿Hay algo más pequeño que los cuarks?
Algunas teorías sugieren que los cuarks podrían estar formados por partículas aún más pequeñas, llamadas "preones". Sin embargo, hasta ahora no hay pruebas experimentales de que los cuarks tengan subestructuras. Los científicos continúan investigando para descubrir si hay más niveles en la estructura de la materia.
Origen del Nombre "Cuark"
La palabra "cuark" fue inventada por el físico Murray Gell-Mann en 1963. Al principio, era solo un sonido que le gustaba, como "kwork". Más tarde, encontró la palabra "quark" en un libro llamado Finnegans Wake del escritor James Joyce. En el libro, la frase "Three quarks for Muster Mark!" (¡Tres cuarks para el señor Mark!) le pareció perfecta.
Gell-Mann explicó que la palabra "quark" en el libro de Joyce podría significar el grito de una gaviota. Además, la frase "tres cuarks" encajaba muy bien porque en ese momento solo se conocían tres tipos de cuarks, y los cuarks se agrupan de tres en los bariones.
Véase también
En inglés: Quark Facts for Kids
- Confinamiento del color
- Física de partículas
- Fuerzas fundamentales
- Murray Gell-Mann
- Modelo estándar de física de partículas
