Modelo de cuarks para niños
En el mundo de la física, el modelo de cuarks es una forma de organizar y clasificar unas partículas muy pequeñas llamadas hadrones. Imagina que los hadrones son como piezas de LEGO, y los cuarks son los bloques más pequeños que las forman. Este modelo nos ayuda a entender de qué están hechos los hadrones y cómo se comportan.
Los cuarks tienen propiedades especiales, como el "sabor" (por ejemplo, cuark arriba, cuark abajo, cuark extraño) y el "espín" (que es como si giraran sobre sí mismos). Estas propiedades son como las etiquetas de identificación de los hadrones.
El modelo de cuarks usa valores específicos para estas propiedades:
- El espín de un cuark es 1/2.
- El número bariónico de un cuark es 1/3.
- La carga eléctrica de un cuark arriba es 2/3, y la de un cuark abajo o extraño es -1/3.
- Los anticuarks (que son como los opuestos de los cuarks) tienen las propiedades contrarias.
Hay dos tipos principales de hadrones:
- Los mesones: Están hechos de un cuark y un anticuark. Su número bariónico es cero.
- Los bariones: Están hechos de tres cuarks. Su número bariónico es uno.
Este artículo se enfoca en el modelo de cuarks usando los sabores arriba, abajo y extraño. Sin embargo, existen modelos más complejos que incluyen más sabores de cuarks.
Contenido
Mesones: Uniones de Cuark y Anticuark
Los mesones son hadrones que no tienen número bariónico. Se forman cuando un cuark y un anticuark se unen.
Cuando consideramos tres sabores de cuarks (arriba, abajo y extraño), los mesones se pueden organizar en grupos. Uno de estos grupos es el "octeto", que tiene ocho mesones, y otro es un "singlete", que tiene solo uno. Juntos, forman un grupo de nueve, llamado "noneto".
Si todos los cuarks tuvieran exactamente la misma masa, entonces todos los mesones en un grupo tendrían la misma masa. Pero como los cuarks tienen masas ligeramente diferentes, los mesones también tienen masas distintas.
Los mesones tienen otras propiedades importantes, como el espín (S) y el momento angular orbital (L). Estas propiedades se combinan para dar al mesón su momento angular total (J), su paridad (P) y su paridad de carga (C).
- El espín de un mesón puede ser 0 o 1.
- La paridad (P) nos dice cómo se comporta la partícula si la vemos en un espejo.
- La paridad de carga (C) nos dice cómo se comporta si cambiamos la partícula por su antipartícula.
Bariones: Tres Cuarks Juntos
Los bariones son hadrones formados por tres cuarks. Los ejemplos más conocidos son los protones y los neutrones, que son los bloques de construcción de los núcleos de los átomos.
Como los cuarks son un tipo de partículas llamadas fermiones, deben seguir una regla especial conocida como el "teorema de la estadística del espín". Esta regla dice que la "función de onda" de un barión (que describe su estado cuántico) debe ser "antisimétrica" si intercambiamos dos cuarks. Para que esto ocurra, los cuarks tienen una propiedad extra llamada "color".
Cuando se combinan tres cuarks, pueden formar diferentes grupos de bariones. Con los tres sabores de cuarks (arriba, abajo, extraño), se pueden formar:
- Un "decupleto" (un grupo de diez bariones).
- Dos "octetos" (dos grupos de ocho bariones).
- Un "singlete" (un grupo de un solo barión).
Los bariones que conocemos en su estado más básico (con momento angular orbital cero) incluyen:
- Los bariones del octeto: el neutrón, el protón, las partículas sigma (Σ), las partículas xi (Ξ) y la partícula lambda (Λ).
- Los bariones del decupleto: las partículas delta (Δ), otras partículas sigma (Σ), otras partículas xi (Ξ) y la partícula omega (Ω).
El modelo de cuarks ha sido muy exitoso prediciendo las masas, las propiedades magnéticas y cómo se mezclan estos bariones.
El Descubrimiento del Color
Al principio, los científicos se dieron cuenta de que algo no encajaba. Por ejemplo, una partícula llamada Δ++ (delta doble más) parecía estar hecha de tres cuarks arriba idénticos, con sus espines apuntando en la misma dirección. Según una regla fundamental de la física (el principio de exclusión de Pauli), dos fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado cuántico. Esto significaba que los tres cuarks arriba en el Δ++ no podían ser idénticos.
Para resolver este problema, los científicos Oscar Greenberg, William Bardeen, Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann propusieron que los cuarks tenían una nueva propiedad, a la que llamaron "color". No es un color real como los que vemos, sino una propiedad cuántica. Cada cuark puede tener uno de tres "colores" (rojo, verde o azul). Esto permite que tres cuarks idénticos en sabor y espín puedan coexistir en un barión, siempre y cuando tengan colores diferentes. Esta idea fue clave para entender cómo funcionan los cuarks.
Partículas Más Allá del Modelo Simple de Cuarks
Aunque el modelo de cuarks es muy útil, la realidad de los hadrones es un poco más compleja. Además de los cuarks de valencia (los que dan la identidad principal a la partícula), los hadrones también contienen pares de cuarks y anticuarks "virtuales" y partículas llamadas "gluones virtuales".
También existen hadrones que no encajan perfectamente en el modelo simple de cuarks. Estos se llaman hadrones exóticos y pueden incluir:
- Bolas de gluones: Partículas hechas principalmente de gluones.
- Híbridos: Partículas que contienen cuarks de valencia y también gluones.
- Estados multicuark: Partículas con más cuarks y anticuarks de lo normal, como:
* Tetracuarks: Hechos de dos cuarks y dos anticuarks. * Pentacuarks: Hechos de cuatro cuarks y un anticuark.
Algunos de estos hadrones exóticos tienen propiedades cuánticas que no se pueden explicar con el modelo simple de cuarks.
Galería de imágenes
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Un noneto de un mesón pseudoescalar. Los miembros de un octeto se muestran en verde; en magenta, el solitario.
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Mesones de espín 1 en forma de noneto.
Véase también
En inglés: Quark Facts for Kids
- barión
- cromodinámica cuántica
- hadrón
- mesón
- partículas subatómicas
- quark
- sabor (física)
