Definición de Quark

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

Los quarks son un tipo de partículas elementales del Modelo Estándar de la Física de Partículas y que pertenecen a la familia de los fermiones. La unión entre distintos quarks da lugar a otro tipo de partículas subatómicas llamadas hadrones.

Los protones y neutrones que componen los núcleos atómicos están conformados a su vez por partículas más pequeñas que el día de hoy conocemos como “quarks” y cuya suma de sus propiedades les brinda sus características a estas partículas subatómicas. No obstante, el camino para llegar a descubrir esta subestructura atómica llevó varios años y descubrimientos.

Pequeña historia de los quarks

El conocimiento acerca de la estructura del átomo y de las partículas subatómicas sufrió una gran revolución a lo largo de todo el Siglo XX. Este camino comenzó en 1897 cuando J. J. Thomson descubrió el electrón haciendo experimentos con rayos catódicos.

Años más tarde, en 1905, Max Planck iniciaría accidentalmente el desarrollo de la mecánica cuántica cuando resolvió el problema de la radiación de cuerpo negro y llegó a la conclusión de que la energía estaba cuantizada. Después Albert Einstein propondría que a la luz se compone de haces de partículas sin masa llamadas “fotones” y con ello explicó el efecto fotoeléctrico.

En 1911 Ernest Rutherford experimentando la dispersión de partículas alfa cuando impactaban con una lámina de oro concluyó que el átomo estaba formado por un pequeño núcleo de carga positiva con los electrones de carga negativa orbitando alrededor de este. Más tarde llamaría “protón” el núcleo positivo de un átomo de hidrógeno. En 1920 el mismo Rutherford predijo la existencia de una partícula sin carga eléctrica que también formaba parte del núcleo atómico, la cual recibió el nombre de “neutrón”. Posteriormente el neutrón fue descubierto por James Chadwick.

Durante la década de 1930 se comenzaron a estudiar los rayos cósmicos y se descubrió que estos rayos cósmicos consistían en partículas de muy alta energía que provenían del espacio exterior y al interactuar con las moléculas de la atmósfera daban lugar a nuevas partículas.

En el año 1932 Ernest Walton y John Cockcroft separaron por primera vez núcleos atómicos de litio con un acelerador de partículas en Cambridge. Después de este suceso comenzaron a utilizarse aceleradores de partículas para estudiar la estructura subatómica de la materia. En 1953 ya se utilizaban aceleradores de partículas en dónde estas alcanzaban una velocidad cada vez más grande y al colisionar entre sí surgían partículas extrañas que hasta ese entonces nunca se habían observado. En estas colisiones lograron observarse más de 100 partículas que interactuaban intensamente entre sí y que en su momento recibieron el nombre de “zoológico de partículas”.

Hacía la década de 1960 los físicos ya habían agrupado el gran zoológico de partículas en función de cómo les afectaban las cuatro interacciones fundamentales, en dónde, las interacciones nucleares débil y fuerte se manifestaban sólo a nivel del núcleo atómico entre los protones y neutrones.

Durante este mismo periodo, el físico estadounidense Murray Gell-Mann propuso organizar el zoológico de partículas con un sistema de ordenación al que llamó “vía óctuple”. Con el objetivo de que este esquema fuera lo más sencillo posible propuso que los hadrones estaban formados por unidades aún más fundamentales que hasta el momento eran desconocidas y a las cuales llamó “quarks”.

De hecho, Gell-Mann no fue el único que propuso la existencia de los quarks. En 1964 George Zweig sugirió que los hadrones se componían de cuatro partículas fundamentales a las que llamó “ases”. No obstante, su idea fue rechazada hasta que después fue propuesta también por Gell-Mann. Gell-Mann desde un principio insistió que se reconociera el trabajo de Zweig en el modelo de quarks.

Todo esto concluye con una serie de experimentos que se realizaron en el acelerador lineal de Stanford entre los años 1967 y 1973 en dónde se constató la existencia de los quarks. Gell-Mann fue galardonado en 1969 con el Premio Nobel de Física por su modelo de quarks y sus aportaciones a la física de partículas.

Propiedades y tipos de quarks

Los quarks son un tipo de fermiones, es decir, son partículas que obedecen a la estadística de Fermi – Dirac y satisfacen el Principio de Exclusión de Pauli. Existen seis tipos de quarks los cuales son llamados “up”, “down”, “charm”, “strange”, “top” y “bottom”.

Todos los quarks tienen un spin de 1⁄2, sin embargo, no comparten la misma carga eléctrica. Los quarks up, charm y top tienen una carga eléctrica de 2⁄3, mientras que, la carga eléctrica de los quarks down, strange y bottom es igual a -1⁄3. A diferencia de los otros fermiones, los quarks poseen carga de color, esto implica que son capaces de interactuar por medio de la fuerza nuclear fuerte y es lo que les permite agruparse para formar otras partículas subatómicas.

Hadrones

La unión entre quarks con ayuda de los gluones da lugar a un grupo de partículas subatómicas conocidas como “hadrones”. Estos a su vez se dividen en dos tipos llamados “bariones” y “mesones”.

Los bariones son partículas subatómicas que están formadas por tres quarks. Un ejemplo de estos son los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, por esta razón a la materia ordinaria muchas veces se le llama “materia bariónica”. Los bariones terminan con un spin de 1⁄2, esto hace que se comporten como fermiones.

Los mesones son partículas subatómicas formadas por un quark y un anti-quark. Un ejemplo de este tipo de partículas son los piones y los kaones. Los mesones cuentan con un spin entero, esto provoca que se comporten como bosones y que obedezcan la Estadística de Bose-Einstein.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Jul., 2023.

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