Quarks

Col·laboració de Aïda Díaz Solà per al capítol Potències de 10

Els quarks són partícules elementals, o fonamentals, de la matèria. És a dir, són partícules subatòmiques que, a diferència de les compostes, no estan formades per altres partícules. De fet, són les partícules més petites que s’han pogut observar fins al moment. Juntament amb els leptons, són els constituents fonamentals de la matèria visible.

La disciplina que s’encarrega d’estudiar els components elementals de la matèria i les relacions que s’estableixen entre ells és la física de partícules. També se l’anomena física d’altes energies, en referència als acceleradors de partícules d’altes energies. Com que moltes d’aquestes partícules no es troben de forma espontània en la natura, ja que són inestables, cal crear-les i detectar-les mitjançant aquests instruments. Per exemple, els tubs de raigs catòdics (com els de les antigues televisions i els monitors d’ordinador) són acceleradors de partícules, però de baixes energies.

Els acceleradors d’altes energies són capaços de portar les partícules carregades elèctricament fins a velocitats molt elevades, fins i tot properes a la de la llum, i, un cop allí, de contenir-les. Això s’aconsegueix mitjançant l’aplicació de camps electromagnètics a uns elèctrodes que canvien de polaritat diverses vegades per segon, atraient o repel·lint les partícules segons la seva càrrega. Cada vegada que es produeix el canvi de polaritat, la velocitat i l’energia de les partícules augmenta una mica. Això no es pot aconseguir, però, de forma individual, sinó que cal accelerar les partícules en feixos que en contenen bilions.

Podem dividir les partícules fonamentals en dos grups: els bosons i els fermions. Bàsicament, es distingeixen per una propietat física de les partícules subatòmiques, l’espí, que consisteix en el camp magnètic que genera una partícula al girar sobre el seu propi eix. Així doncs, els bosons tenen un espí sencer (un gir complet), mentre que els fermions el tenen semisencer (mig gir). A nosaltres ens interessen els fermions, ja que dins d’aquesta categoria hi trobem els quarks i els leptons, o sigui, les partícules materials.

Al seu torn, els quarks es distingeixen dels leptons pel fet que a la naturalesa sempre es troben en presència d’altres quarks, mentre que els leptons poden existir aïllats. A més, són les úniques partícules que experimenten les quatre interaccions fonamentals: la interacció nuclear forta, la interacció nuclear dèbil, la interacció electromagnètica i la interacció gravitatòria.

Els sis tipus de quarks que existeixen es poden repartir en tres grups. Els quarks de primera generació formen els protons i els neutrons que, al seu torn, són els constituents del àtoms. Són els quarks més estables. En aquest grup hi trobem el quark amunt (up) i el quark avall (down). Els quarks de segona generació, l’encantat (charm) i l’estrany (strange), i els de la tercera generació, el quark sobre (top) i el quark fons (bottom), són molt inestables. Per exemple, es van desintegrar en una fracció de segon després del Big Bang.

A mesura que augmenta el número de la generació també augmenta la massa del quark, de manera que el quark sobre és el més massiu i el quark fons, el segon més massiu.

A cada tipus de quark li correspon un antiquark, igual que a cada partícula li correspon una antipartícula. Les antipartícules, que són la base de la antimatèria, tenen la mateixa massa i el mateix espí que les seves corresponents partícules, però se’n diferencien per la càrrega elèctrica. D’aquesta manera, si es troben en un estat quàntic apropiat, una partícula i la seva antipartícula poden anul·lar-se entre elles.

Els diferents tipus de quarks que existeixen es combinen formant hadrons. D’hadrons en podem trobar de dos classes: els mesons, constituïts per dos quarks, un quark i un antiquark; i els barions, constituïts per tres quarks. Aquests últims són els que donen lloc als protons i als neutrons.

L’any 2003, es va comprovar l’existència d’una altra formació, el pentaquark, que està constituït per dues parelles de quarks, anomenades diquarks, i un antiquark.

El model actual de quarks sorgeix precisament de la voluntat de classificar els hadrons, de la necessitat d’aprofundir cada vegada més en la composició essencial de tot allò que veiem.

Aquest procés de recerca va començar ja al segle XIX amb la teoria atòmica, segons la qual els àtoms eren els components primordials de la matèria. Després vindria el model atòmic de Rutherford, que descomponia l’àtom en els electrons i el nucli. Més endavant, es va concretar que, al seu torn, el nucli constava de protons i de neutrons. I a partir d’aquí, a través dels acceleradors de partícules, es van anar descobrint tot un seguit de noves partícules, fet que va motivar la recerca en aquest camp.
Aquests són els antecedents de l’actual model estàndard, que conclou que les partícules més elementals de la matèria són els quarks i els leptons.

Murray Gell-Mann i Kazuhiko Nishijima van fer la primera proposta per classificar els hadrons en quarks el 1964. Va ser Gell-Mann, precisament, qui va escollir el terme “quark” per a designar la nova partícula, a partir d’un mot de la novel·la de James Joyce Finnegans Wake.

El descobriment dels quarks de forma experimental, però, prové d’uns experiments realitzats a l’SLAC (Stanford Linear Accelerator Centre), entre 1967 i 1973, i que no tenien aquest objectiu específic.

El 1973 es van realitzar altres proves al CERN (Consell Europeu per a la Investigació Nuclear), el laboratori de recerca en física de partícules més gran del món, que van confirmar l’existència dels quarks.

Col·laboració de Aïda Díaz Solà per al capítol Potències de 10