Quark

Quark é um férmion fundamental com carga hadrónica ou cor. Não se observou ainda quarks em estado livre. Segundo o Modelo Padrão, os quarks ocorrem em seis "sabores" na natureza: "top", "bottom", "charm", "strange", "up" e "down". Os dois últimos formam os prótons e nêutrons, enquanto os quatro primeiros são formados em hádrons instáveis em aceleradores de partículas.

Os quarks têm uma unidade de carga hadrônica, que aparece em três tipos distintos (cores). O campo hadrônico é também chamado de força nuclear forte. A teoria que estuda a dinâmica de quarks e das cargas hadrônicas (mediadas pelos glúons) é chamada Cromodinâmica Quântica. Segundo a Cromodinâmica Quântica, os quarks podem formar estados ligados aos pares e às trincas. Os pares de quarks são chamados mésons e as trincas hádrons. O próton é uma trinca de quarks, formado por dois quarks "up" e um quark "down". O nêutron é outro estado ligado de três quarks, dois deles "down" e um "up".

Os quarks têm carga elétrica -1/3 ou 2/3, onde a unidade é a carga do elétron. Antipartículas dos quarks têm carga oposta. Os quarks também interagem com a força nuclear fraca, a qual transmuta tipos distintos de quarks. Por exemplo, o quark tipo "down" pode mudar para um quark tipo "up" pela emissão de um bóson vetorial massivo, que transporta a força nuclear fraca. Tal mecanismo está por trás da desintegração do nêutron.

Apesar de não serem observados em estado livre, a massa dos quarks pode ser inferida dos hádrons e mésons observados. Sabe-se que os quarks "up" e "down" tem massa comparável com a do eléctron, enquanto o quark "top" tem uma massa cerca de 200 vezes maior que a do próton.

A propriedade mais importante dos quarks é chamada de confinamento. É um fato experimental que os quarks individuais não são vistos  — Eles estão sempre confinados em dentro dos hádrons, partículas subatomicas como os protons, neutrons, e meson. Esta propriedade fundamental era esperad que surgisse da moderna teoria das intrerações forte, chamada de cromodinâmica quântica (QCD). Embora não exista nenhuma derivação matemática de confinamento na QCD, é fácil mostrar isto usando a teoria grade gauge.

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1974 fotografia da descoberta de um possivel baryon charmoso, agoro identificado como Σ_c⁺⁺

Quarks livres

Nenhuma pesquisa para quark’s livres ou carga elétrica fracionaria produziu uma evidência convincente. A ausência de quark livre foi então sendo incorporada na noção de confinamento, o qual acredita-se, que a teoria de quark deve possuir. Contudo, deve ser possível mudar o volume do confinamento pela criação de matéria quark densa ou quente. Esta nova fase da matéria QCD foi predita teoricamente, e buscas experimentais por ela tem sido iniciadas.

Confinamento e propriedades do quark

Cada partícula subatômica é descrita por um pequeno conjunto de números quânticos tais como spin J, paridade P, e massa m. Usualmente estas propriedades são diretamente identificadas por experimentos. Contudo, o confinamento torna impossível medir estas propriedades nos quarks. Ao invés disto, elas devem ser inferidas pela medição das propriedades das partículas compostas que são feitas de quarks. Tais inferências são mais fáceis de serem feitas adicionado números quânticos chamados de sabor (flavor).

As particulas compotas feita de quark e anti-quark são os hádrons. Estes incluem os mesons os quais obtem seus números quânticos de um quark e um anti-quark, e os baryons, os quais obtem os seus de três quarks. O quarks (e os anti-quarks) os quai contam para os números quânticos dos hádrons são chamados quark d valência. Aparte deste, muitos hádrons devem conter um indefinido número de quark, anti-quark e gluons virtual os quais contibuem para seus números. Cada quark virtual é denominado de mar de quarks.

Sabores

Sabor em partículas físicas

Números quânticos sabores Número leptônico: L Número bariônico: B Carga Elétrica: Q Hipercarga Fraca: YW Isospin fraco: Tz Isospin: I, Iz Hipercarga: Y Estranheza: S Charme: C Inferioridade: B' Superioridade: T Y=B+S+C+B'+T Q=Iz+Y/2 Q=Tz+YW/2 B-L conservado no modelo padrão Tópicos relacionados: Simetria CPT Matriz CKM Simetria CP Quiralidade

A cada quark é atribuído um número barionico, B  =  1/3, e um numero leptônico nulo L  =  0. Eles tem uma carga eletríca fracionada, Q, Q  =  +2/3 ou Q  =  −1/3. Os iniciais chamaram quark tipo para cima, e depois, down-type quarks. A cada quark é atribuido um isospin fraco: T_z  =  +1/2 para um quark tipo para acima e T_z  =  −1/2 para um quark tipo para abaixo. Cada vez que se dobra o isopin fraco tem-se uma nova geração de quarks. Existem três gerações, e então 6 sabores de quarks — o quark para acima tem os sabores u, c e t, os para abaixo os d, s, b.

O número de gerações de quarks e leptons são iguais no modelo padrão. O número de gerações de leptons é fortemente restrita dado as testes experimentais feitas no LEP e CERN e pela observação da abundância de hélio no universo. A precisão da medição da meia-vida do bóson Z no LEP restringe o número de gerações a três. Observações astronômicas da abundância de hélio produz resultados consistentes. Os resultados de uma busca direta por uma quarta geração aponta um limite na massa do quark mais leve possível de quarta geração. A mais severa limitação veio da analise dos resultados colisor Tevatron do Fermilab, e mostra que a massa da quarta geração de quark deve ser maior que 190 GeV.

Cada sabor define um número quântico que será conservado durante a interação forte, mas não na interação fraca. A alteração da magnetude do sabor na interação fraca é codificado em uma estrutura chamada matriz CKM. Esta tambem determina a violação CP que e permitida no modelo padrão. Os números quânticos do sabor são descritos em detalhes no artigo Sabor.

Spin

Números quânticos correspondem a simetrias não-Abeliana tal como a rotação. Elas requerem mais atenção na sua extração, desde que elas são não aditivas. No modelo dos quark a contrução de um mesons se da com um quark e um antiquark, por outro lado baryon são construídos de trÊs quarks. Desde que os mesons são bosons (tem spin inteiro) e baryons são fermions (tem spin fracionário), o modelo dos quarks implica que os são fermions. Além disto, o fato de bayons mais leves tem spin spin igual -1/2 implica que cada quark pode ter spin J  =  1/2. Os spins de mesons e barions excitados são completamente consistente com estes argumentos.

Cores

Desde os quarks são fermions, o principio de exclusão de Pauli implica que eles os três quarks de valência devam estar em uma combinação assimétrica em um baryon. Contudo, a carga Q =  2 baryon, Δ⁺⁺ (a qual é uma dos quatro isospin I_z  =  3/2 baryons) pode somente ser feita de três quarks u com spins paralelos. Desde que esta configuração é simétrica com respeito ao intercâmbio das cargas dos quarks, isso implica que existem outros números quânticos internos, os quais poderão então compor combinações assimétricas. A isto se dá o nome de cor, embora não tenha nada a ver com a sensação fisiológica cores. Este número quântico é a carga envolvida na teoria gauge chamada de cromodinâmica quântica (QCD).

A outra única partícula colorida é o gluon, o qual é o boson mediador da QCD. Tal como todas as outras teorias mediadoras não-Abelianas (e diferente da eletrodinâmica quântica) os bósons mediadores interagem com os outros devido a mesma força que afeta os quarks.

A Cor é uma simetria gauge SU(3). Os quarks são dispostos na representação fundamental, 3, desde que eles se mostram em 3 cores. Os gluons são dispotos na representação adjunta, 8 e, por conseguinte aparecem em 8 variedades. Para mais informações a este respeito, veja carga colorida.

Massa do quark

Embora estejamos falando da massa do quark da mesma forma que falamos da massa de qualquer outra partícula, a noção da massa do quark é mais complicada pelo fato dele não poder ser encontrado livre na natureza. Como um resultado disto, a noção da massa do quark é uma construção teórica, a qual só faz sentido somente quando especificamos o procedimento usado para defini-la.

Massa corrente do quark

A aproximada simetria chiral da QCD, por exemplo, permite-no definir a razão entre as massas dos vários quarks (para cima, para baixo e estranho) através da combinação das massas do octeto de meson escalar no modelo quark utilizando a teoria da pertubação chiral, dado

${\frac {m_{u}}{m_{d}}}=0.56\qquad {\rm {and}}\qquad {\frac {m_{s}}{m_{d}}}=20.1.$

O fato de que m_u  ≠  0 é importante, desde estes não estão no problema forte CP Se m_u forem eliminadas. Os valores absolutos de massa foram atualmente determinados para leis de soma QCD (também conhecido como leis da somatória da função espectral) e grade QCD. A Massa determinada desta maneira é conhecida como massa corrente do quark. A conexão entre diferentes de massa corrente do quark necessita de mecanismo pleno de renormalização para estas especificações.

Massa do quark de valência

Outro, antigo, método de especificar a massa do quark foi usado na formula de massa de Gell-Mann-Nishijima no modelo de quark, a qual relaciona a massa do hádron as massas do quark. A massa assim determinada e chamada massa do quark constituinte, e é significantemente diferente da massa corrente do quark definida acima. A massa constituinte não tem qualquer significado dinâmico maior.

Massa dos quarks pesados

A massa dos quarks pesados charme e inferior são obtidas da massas de hádrons que contem um simples quark pesado (e um anti-quark leve ou dois quark leves) e da analise do seu quarkoma. Cálculos com grade QCD usando a teoria efetivo quark pesado (HQET em inglês) ou cromodinâmica quântica não relativista (NRQCD no inglês) são usadas atualmente para determinar a massa destes quarks.

O quark topo é suficientemente pesado para que a QCD de perturbação possa ser usada para determinar sua massa. Antes da sua descoberta em 1995, a melhor estimativa teórica da massa do quark topo foi obtida da analise global de testes de precisão do Modelo Padrão. O quark topo, contudo, é o único entre os quarks que decai antes que tenhamos uma chance de hadronizar. Portando, sua massa pode ser diretamente medida do produto de seu decaimento. Isto pode ser feito somente em um Tevatron o qual é o único acelerador de partícula com energia bastante para produzir quarks em abundância.

'Propriedades dos Quarks

Sabor	Nome	Geração	Carga	Massa (MeV)
Iz=+1/2, Tz=+1/2	para acima (u)	1	+2/3	1.5 to 4.0
Iz=−1/2, Tz=−1/2	para abaixo (d)	1	−1/3	4 to 8
S=−1, Tz=−1/2	Estranho (s)	2	−1/3	80 to 130
C=1, Tz=+1/2	Charmoso (c)	2	+2/3	1150 to 1350
B′=−1, Tz=−1/2	Inferior (b)	3	−1/3	4100 to 4400
T=1, Tz=+1/2	Superior (t)	3	+2/3	172700 ± 2900

• Massa do quark Superior do Tevatron Electroweak Working Group
• Outra massas do quark obtidas de Grupo de massa de partícula.
• Os números quânticos do quark topo e inferior são denominados algumas vezes como respectivamente verdadeiro e belo.

Anti-quarks

Um número adicional de anti-quarks iguais em magnitude e oposto no sinal dos quarks. A simetria CPT força que eles tenham o mesmo spin e massa que seus correspondentes anti-quark. Teste da simetria CPT não podem ser realizados diretamente nos quark e anti-quark, devido ao confinamento, mas podem ser feito nos hádrons.

Sub-estrutura

Algumas evoluções do Modelo Padrão lançaram a idéia que os quarks e leptons tem subestrutura. Em outras palavras, este modelo assume que as partículas elementares do modelo padrão são de fato partículas compostas, feitas de algum outro constituinte elementar. Tais idéias estão abertas para a fase de testes experimentais, e estas teorias são severamente limitadas por falta de dados. Não há no momento atual nenuma evidência desta sub-setrutura.

História

A noção de quarks evoluiu da classificação dos hádron desenvolvidas independentemente em 1961 por Murray Gell-Mann e Kazuhiko Nishijima, o qual atualmente denominado como o nome de modelo quark. O esquema agrupa junto partículas com isospin e estranheza usando simetria unitária derivada da algebra corrente, a qual nos reconhecemos hoje como parte de simétria chiral de QCD aproximada. Esta é uma simetria de sabor SU(3) global, a qual não deve ser confundida com a simetria de grade da QCD.

Neste esquema os mesons leves (spin-0) e os baryons (spin-½) foram agupados juntos em octetos, 8, com simetria de sabor. A classificação dos barions de spin-3/2 em uma representação 10 produziu a nova predição de uma partícula, Ω⁻, a qual foi descoberta em 1964 levando a larga aceitação do modelo. A desejada representação 3 foi identificada como quarks.

Este esquema ficou conhecido como modelo das oito dobras (do inglês eightfold way) por Gell-Mann, em um clara referencia dos octetos do modelo com o modelo das oito dobras do Budismo. Ele também inventou o nome quark e atribuiu lhe a sentença “Three quarks for Muster Mark” em Finnegans Wake de James Joyce. Os resultados negativos dos experimentos de busca do quark levaram Gell-Mann a considerara-los como ficção matemática.

A analise de certas propriedade das reações de altas energias dos hádrons levou Richard Feynman a postular a existência de subestruturas nos hádrons, as quais foram chamadas de partons (desde de que elas são partes hádrons). Uma adaptação seção transversal espalhamento profundamente inelástico derivado da álgebra corrente por James Bjorken recebeu uma explicação em termos de parton. Quando adaptação de Bjorken foi verificada experimentalmente em 1969, foi imediatamente percebido que partons e quarks poderiam ser a mesma coisa. Com a prova da liberdade assintotica na QCD em 1973 por David Gross, Frank Wilczek e David Politzer esta concepção foi firmemente estabelecida.

O quark charmoso foi postulado por Sheldon Glashow, Iliopoulos e Maiani em 1973 para prevenir mudanças não físicas do sabor em decaimentos fracos os quais deveriam de outra forma ocorrer modelo padrão. A descoberta em 1975 do meson o qual foi denominado de J/ψ levou ao reconhecimento que ele seria composto de um quark charmoso e um antiquark.

A existência de uma terceira geração de quaks foi predita por Kobayashi e Maskawa que entenderam que a observação da violação da CP symmetry por kaons neutros não poderia ser acomodadas no modelo padrão com duas gerações de quarks. O quark inferior foi descoberto em 1980 e o quark superior in 1996 no colineador Tevatron no Fermilab.

Veja também

• Força fundamental e interação forte
• Gluons
• Cromodinâmica quântica, o modelo do quark e partons.
• Confinemento, desconfinemento, matéria quark e liberdade assintotica
• modelo padrão, a matirz CKM e simétria CP.

Referências e ligações externas

Fontes primárias e secundárias

• Grupo de dados de partículas no quarks
• Um modelo esquemático dos baryons e mesons, por Murray Gell-Mann (1964)
• Obesrvaçoes do quark superior em Fermilab

Outras refêrencias

• Um positrom chamado Priscila — Uma descrição do experimento do CERN’s para contar as famílias dos quarks