Cuark cima para niños

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El quark cima (también conocido como quark t por su nombre en inglés "Top Quark") es una partícula elemental. Es uno de los bloques más pequeños que forman la materia. Pertenece a la tercera generación de quarks.

Este quark tiene una carga eléctrica de +2/3 de la carga elemental. También tiene un "espín" de 1/2, lo que lo clasifica como un fermión. Los fermiones siguen una regla especial llamada principio de exclusión de Pauli. Al igual que otros quarks, el quark cima siente la interacción fuerte, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. También tiene una propiedad llamada "carga de color". Su antipartícula es el antiquark cima.

El quark cima es el quark más pesado que se ha descubierto hasta ahora. Es tan masivo como algunos núcleos de oro. Debido a su gran masa, es una partícula muy inestable. Se desintegra en menos de un yoctosegundo (una cantidad de tiempo extremadamente pequeña). Esto significa que no tiene tiempo para unirse con otros quarks y formar partículas más grandes llamadas hadrones. Por esta razón, estudiar el quark cima ayuda a los científicos a entender mejor la interacción fuerte. Medir sus propiedades con precisión puede dar información clave sobre cómo funcionan las fuerzas en el universo.

Fue el último de los quarks en ser descubierto. Esto ocurrió en 1995 en el Fermilab, un laboratorio de física en Estados Unidos. Antes de que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzara a funcionar, el Tevatrón del Fermilab era el único acelerador de partículas lo suficientemente potente para crear quarks cima. Se formaban al chocar un protón y un antiprotón con mucha energía. Después de su breve existencia, el quark cima casi siempre se desintegra en un bosón W y un quark fondo.

Este quark da a los hadrones que forma una propiedad llamada 'superioridad'. Esta propiedad se define por la cantidad de quarks cima y antiquarks cima que tiene una partícula. La superioridad, al igual que la "extrañeza" o el "encanto" de otros quarks, puede cambiar debido a la interacción débil. Sin embargo, no cambia por la interacción fuerte ni la electromagnética.

Historia del Descubrimiento del Quark Cima

¿Cómo se predijo su existencia?

En 1973, los científicos Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa sugirieron que debía existir una tercera generación de quarks. Lo hicieron para explicar algunas diferencias observadas en el comportamiento de las partículas y antipartículas, especialmente en la desintegración de los kaones. Los nombres "cima" (top) y "fondo" (bottom) fueron propuestos por Haim Harari en 1975. Estos nombres se eligieron para que coincidieran con los quarks de la primera generación: "arriba" (up) y "abajo" (down).

La idea de Kobayashi y Maskawa se basó en un mecanismo propuesto por Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani. Este mecanismo había predicho la existencia del quark encanto, que aún no se había observado. Cuando el mesón J/ψ fue descubierto en 1974, se confirmó que era una combinación del quark encanto y su antiquark. Este descubrimiento hizo que el mecanismo fuera aceptado en el Modelo Estándar de la física. Con ello, la predicción de Kobayashi y Maskawa también ganó mucha fuerza.

La búsqueda del quark cima

La idea de una tercera generación de partículas se reforzó con el descubrimiento de la partícula tau entre 1974 y 1978. La tau era un leptón de la tercera generación. Esto significaba que, para mantener el equilibrio en el universo de las partículas, debían existir un quinto y un sexto quark.

Poco después, en 1977, el quinto quark, el quark fondo, fue descubierto en el Fermilab. Esto hizo que los científicos estuvieran casi seguros de que también debía existir un sexto quark, el quark cima, para completar el par. Se sabía que el quark cima sería más pesado que el fondo, por lo que se necesitaría más energía para crearlo en los aceleradores de partículas.

Las primeras búsquedas del quark cima en laboratorios como SLAC y DESY no tuvieron éxito. A principios de los años 80, cuando el Superprotón Sincrotrón (SPS) del CERN descubrió los bosones W y Z, se pensó que el quark cima se encontraría pronto. Sin embargo, el CERN no pudo encontrarlo, y se estableció que su masa debía ser de al menos 77 GeV/c².

El Tevatrón del Fermilab fue el único acelerador capaz de producir quarks cima durante muchos años. Para confirmar un futuro descubrimiento, se añadió un segundo detector, el detector DØ. En octubre de 1992, los dos grupos de investigación encontraron la primera señal del quark cima. Finalmente, el 2 de marzo de 1995, después de reunir más pruebas, los grupos del CDF y DØ anunciaron juntos el descubrimiento del quark cima. Su masa se estimó en 176 GeV/c².

Antes de su descubrimiento directo, los científicos ya habían notado que algunas mediciones de otras partículas eran muy sensibles a la masa del quark cima. Esto significaba que, aunque no se pudiera ver directamente, su existencia afectaba a otras partículas. En 1994, estas mediciones indirectas predijeron que la masa del quark cima estaría entre 145 GeV/c² y 185 GeV/c². El trabajo que permitió estos cálculos precisos llevó a Gerardus 't Hooft y Martinus Veltman a ganar el Premio Nobel de física en 1999.

Propiedades del Quark Cima

• El quark cima tiene un "espín" de 1/2.
• Su carga eléctrica es de +2/3. Las primeras mediciones han confirmado que esta carga es correcta.
• Cuando se producen pares de quark cima y antiquark cima, los bosones W que resultan de su desintegración pueden dar información sobre cómo estaba "polarizada" la partícula original.

¿Cómo se produce el Quark Cima?

Para crear quarks cima, se necesita una gran cantidad de energía, ya que son muy masivos. Esta energía se consigue en colisiones de alta energía. Estas colisiones ocurren de forma natural cuando los rayos cósmicos chocan con partículas en la atmósfera. También se pueden crear en aceleradores de partículas. Desde 2011, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN es el único acelerador con suficiente energía para producir quarks cima.

Existen dos formas principales de producir quarks cima:

Producción de pares de quark cima

La forma más común es crear un par de quark cima y antiquark cima. Esto ocurre a través de la interacción fuerte. En una colisión, se forma un gluón con mucha energía. Este gluón se desintegra rápidamente en un quark cima y un antiquark cima. Este proceso fue el responsable de la mayoría de los quarks cima observados en el Tevatrón y fue el que se vio cuando se descubrió el quark cima por primera vez. También es posible producir estos pares a través de la desintegración de un fotón o un bosón Z, pero estos procesos son mucho menos comunes.

Producción de quarks cima individuales

También se pueden producir quarks cima de forma individual a través de la interacción débil. Esto puede ocurrir de varias maneras:

• Un bosón W intermedio se desintegra en un quark cima y un antiquark fondo.
• Un quark fondo se transforma en un quark cima al intercambiar un bosón W con un quark arriba o abajo.
• Un quark cima se produce junto con un bosón W, lo que requiere un quark fondo al inicio.

La primera evidencia de estos procesos se publicó en 2006. En 2009, las colaboraciones CDF y DØ confirmaron la observación de estos procesos. Medir la frecuencia de estos procesos es importante porque está directamente relacionada con una parte de la matriz CKM, que es clave para entender cómo los quarks cambian de un tipo a otro.

Galería de imágenes

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  Fusión gluón-gluón

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  Canal t

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  Aniquilación quark-antiquark

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  Canal s

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  Canal t

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  Canal tW

Véase también

En inglés: Top quark Facts for Kids

• Quark
• Interacción nuclear fuerte
• Carga de color
• Gluón