11.4: Quarks
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Ao final desta seção, você poderá:
- Compare e contraste os seis quarks conhecidos
- Use a composição quark dos hádrons para determinar a carga total dessas partículas.
- Explicar a evidência primária da existência de quarks
Na década de 1960, os físicos de partículas começaram a perceber que os hádrons não são partículas elementares, mas são feitos de partículas chamadas quarks. (O nome 'quark' foi cunhado pelo físico Murray Gell-Mann, a partir de uma frase do romance Finnegans Wake, de James Joyce.) Inicialmente, acreditava-se que existiam apenas três tipos de quarks, chamados up (u), down (d) e strange (s). No entanto, esse número logo cresceu para seis — curiosamente, o mesmo que o número de léptons — incluindo charmed (c), bottom (b) e top (t).
Todos os quarks são meio-férmions de spin\((s = 1/2)\), têm uma carga fracionária\((1/3\) ou\(2/3 e)\), e têm número de bárions \(B = 1/3\). Cada quark tem um antiquark com a mesma massa, mas com carga e número de bárions opostos. Os nomes e propriedades dos seis quarks estão listados na Tabela.
| Quark | Carga (unidades de e) | Espanha (s) | Número bariônico | Número de estranheza |
|---|---|---|---|---|
| Para baixo (d) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Para cima (u) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Estranho (s) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | - 1 |
| Amuleto (c) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Parte inferior (b) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Parte superior (t) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
Combinações de Quark
Como mencionado anteriormente, os quarks se unem em grupos de dois ou três para formar hádrons. Os bárions são formados por três quarks. Amostras de bárions, incluindo conteúdo e propriedades de quarks, são apresentadas na Tabela. Curiosamente, o delta plus (\(\Delta^+\)) bárion é formado a partir dos mesmos três quarks do próton, mas o spin total da partícula é 3/2 em vez de 1/2. Da mesma forma, a massa de \(\Delta^+\) com spin 3/2 é 1,3 vezes a massa do próton, e o bárion delta zero (\(\Delta^0\)) com um spin 3/2 é 1,3 vezes a massa de nêutrons. Evidentemente, a energia associada ao giro (ou momento angular) da partícula contribui para sua energia de massa. Também é interessante que se acredite que não existam bárions com os quarks superiores, porque os quarks superiores decaem muito rapidamente para se ligarem aos outros quarks em sua produção.
| Nome | Símbolo | Quarks | Carga (unidade de e) | Espanha (s) | Missa \((GeV/c^2)\) |
|---|---|---|---|---|---|
| Próton | p | u u d | 1 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 0,938 |
| Nêutron | n | u d d | 0 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 0,940 |
| Delta plus plus | \(\Delta^{++}\) | u u u u | 2 | 3/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Delta plus | \(\Delta^+\) | u u d | 1 | 3/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Delta zero | \(\Delta^0\) | u d d | 0 | 3/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Delta menos | \(\Delta^-\) | d d d | -1 | 3/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Lambda zero | \(\Lambda^0\) | você faz isso | 0 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1,116 |
| Sigma positivo | \(\Sigma^+\) | u u é | 1 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1,189 |
| Sigma neutro | \(\Sigma^0\) | você faz isso | 0 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1,192 |
| Xi negativo | \(\Xi^-\) | Como eu faço | -1 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.321 |
| Xi neutro | \(\Xi_0\) | Nós somos | 0 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.315 |
| Ômega menos | \(\Omega^-\) | s s s | -1 | 3/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 1.672 |
| Lambda encantada | \(\Lambda_{C+}\) | u d c | 1 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 2.281 |
| Fundo encantado | \(\Lambda_{b0}\) | u d b | 0 | 1/2 | \ ((Gev/c^2)\)” style="text-align:center;” class="lt-phys-4557"> 5.612 |
Os mésons são formados por dois quarks — um par quark-antiquark. Os mésons de amostra, incluindo o conteúdo e as propriedades dos quarks, são apresentados na Tabela \(\PageIndex{3}\). Considere a formação do píon (\ (\ pi^+ = u\ overline {d}\)). Com base em seu conteúdo de quarks, a carga do pion é
\[\dfrac{2}{3}e + \dfrac{1}{3}e = e. \nonumber \]
Ambos os quarks são spin-half (\(s = \dfrac{1}{2}\)), então o spin resultante é 0 ou 1. O spin do\((\pi^+)\) méson é 0. A mesma combinação quark-antiquark dá ao méson rho (\(\rho\)) com spin 1. Esse méson tem uma massa aproximadamente 5,5 vezes a do\(\pi^+\) méson.
Mostre que a composição de quarks fornecida na Tabela\(\PageIndex{2}\) para\(\Xi^0\) é consistente com a carga, rotação e estranheza conhecidas desse barião.
Estratégia
\(\Xi^0\)é composto por dois quarks estranhos e um quark up (s u s). Podemos somar as propriedades dos quarks para prever as propriedades resultantes do\(\Xi^0\) barião.
Solução
A carga do quark s é\(-e/3\) e a carga do quark u é 2 e /3. Assim, a combinação (s u s) não tem carga líquida, de acordo com a cobrança conhecida de \(\Xi^0\). Como três\(-1/2\) quarks de spin podem se combinar para produzir uma partícula com spin de 1/2 ou 3/2, a composição do quark é consistente com o spin (\(s = 1/2\)) conhecido de\(\Xi^0\). Finalmente, a estranheza líquida da combinação (s u s) é\ ((-1) + 0 + (-1) = -2\), o que também concorda com o experimento.
Significância
A carga, rotação e estranheza da\(\Xi^0\) partícula podem ser determinados a partir das propriedades de seus quarks constituintes. A grande diversidade de bárions e mésons pode ser atribuída às propriedades de apenas seis quarks: up, down, charge, strange, top e bottom.
Qual é o número bariônico de um pion?
- Resposta
-
0
Cor
Os quarks são férmions que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, então pode ser surpreendente saber que três quarks podem se unir dentro de um núcleo. Por exemplo, como dois quarks ascendentes podem existir na mesma pequena região do espaço dentro de um próton? A solução é inventar uma terceira nova propriedade para distingui-las. Essa propriedade é chamada de cor e desempenha o mesmo papel na forte interação nuclear que a carga nas interações eletromagnéticas. Por esse motivo, a cor quark às vezes é chamada de “carga forte”.
Os quarks vêm em três cores: vermelho, verde e azul. (São apenas rótulos — os quarks não são realmente coloridos.) Cada tipo de quark \((u, \, d, \, c, \, s, \, b, \, t)\) pode possuir outras cores. Por exemplo, existem três quarks estranhos: um quark estranho vermelho, um quark estranho verde e um quark estranho azul. Os antiquarks têm anticolor. Os quarks que se unem para formar hádrons (bárions e mésons) devem ter cor neutra, incolores ou “brancos”. Portanto, um bárion deve conter um quark vermelho, azul e verde. Da mesma forma, um méson contém um par de quarks vermelho-antivermelho, azul-antiazul ou verde-antiverde. Assim, dois quarks podem ser encontrados no mesmo estado de spin em um hádron, sem violar o princípio de exclusão de Pauli, porque suas cores são diferentes.
Confinamento de Quark
A primeira forte evidência da existência de quarks veio de uma série de experimentos realizados no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) e no CERN por volta de 1970. Este experimento foi projetado para sondar a estrutura do próton, assim como Rutherford estudou a estrutura dentro do átomo com seus experimentos \(\alpha\) de dispersão de partículas. Os elétrons foram colididos com prótons com energia superior a 20 GeV. Com esta energia,\ (E \ approx pc\), então o comprimento de onda de Broglie de um elétron é
\ [\ lambda =\ dfrac {h} {p} =\ dfrac {hc} {E}\ aproximadamente 6\ times 10^ {-17} m.\ nonumber\]
O comprimento de onda do elétron é muito menor que o diâmetro do próton (aproximadamente\(10^{-15} m)\). Assim, como um automóvel viajando por uma cordilheira rochosa, os elétrons podem ser usados para sondar a estrutura do núcleo.
Os experimentos do SLAC descobriram que alguns elétrons foram desviados em ângulos muito grandes, indicando pequenos centros de dispersão dentro do próton. A distribuição de dispersão foi consistente com elétrons sendo espalhados de locais com spin 1/2, o spin dos quarks. Os experimentos no CERN usaram neutrinos em vez de elétrons. Esse experimento também encontrou evidências dos minúsculos centros de dispersão. Em ambos os experimentos, os resultados sugeriram que as cargas das partículas de dispersão eram\(+2/3e\) ou\(-1/3 e\) estavam de acordo com o modelo de quarks.
Assista a este vídeo para saber mais sobre os quarks.
Prótons e nêutrons são feitos de três quarks, certo? Errado! Explore a partícula sobre a qual eles deveriam ter falado quando você era criança!
O modelo quark tem sido extremamente bem-sucedido na organização do complexo mundo das partículas subatômicas. Curiosamente, porém, nenhum experimento jamais produziu um quark isolado. Todos os quarks têm carga fracionária e, portanto, devem ser facilmente distinguíveis das partículas elementares conhecidas, cujas cargas são todas um múltiplo inteiro de e. Por que quarks isolados não são observados? Nos modelos atuais de interações de partículas, a resposta é expressa em termos de confinamento de quarks. O confinamento de quarks se refere ao confinamento de quarks em grupos de dois ou três em uma pequena região do espaço. Os quarks são totalmente livres para se movimentar nesse espaço e enviar e receber glúons (os portadores da força forte). No entanto, se esses quarks se afastarem demais um do outro, a força forte os puxa de volta. Essa ação é comparada a uma bola, uma arma usada para caçar (Figura\(\PageIndex{1}\)). As pedras são amarradas a um ponto central por uma corda, então nenhuma das pedras pode se mover muito longe das outras. A bola corresponde a um barião, as pedras correspondem a quarks e a corda corresponde aos glúons que mantêm o sistema unido.
