Quarks
Los quarks son partículas elementales que se combinan para formar protones, neutrones y otros hadrones.
Los quarks son partículas elementales que, al combinarse, forman los hadrones, como los protones y los neutrones. Son los constituyentes fundamentales de la materia nuclear, tienen carga eléctrica fraccionaria y nunca se han observado aislados en la naturaleza.
¿Qué son los quarks?
En el modelo estándar de la física de partículas, la materia está formada por dos familias de fermiones: los quarks y los leptones, entre los que se encuentra el electrón. Los quarks son sensibles a las cuatro interacciones fundamentales y, a diferencia de los leptones, notan la interacción fuerte, que los une entre sí.
El nombre lo propuso el físico Murray Gell-Mann en 1964, tomado de una frase de la novela Finnegans Wake de James Joyce («Three quarks for Muster Mark!»). De forma independiente, George Zweig propuso la misma idea y los llamó «ases». Ambos postulaban que protones y neutrones no eran partículas elementales. La confirmación experimental llegó a partir de 1968, cuando los experimentos de dispersión inelástica profunda en el acelerador SLAC revelaron estructura interna en el protón.
Los seis sabores
Existen seis tipos de quarks, llamados sabores, agrupados en tres generaciones de masa creciente. Todos tienen espín 1/2.
| Sabor | Símbolo | Carga (e) | Masa aproximada |
|---|---|---|---|
| Arriba (up) | u | +2/3 | 2,2 MeV/c² |
| Abajo (down) | d | −1/3 | 4,7 MeV/c² |
| Encanto (charm) | c | +2/3 | 1,27 GeV/c² |
| Extraño (strange) | s | −1/3 | 95 MeV/c² |
| Cima (top) | t | +2/3 | 173 GeV/c² |
| Fondo (bottom) | b | −1/3 | 4,18 GeV/c² |
La carga se expresa en unidades de la carga elemental e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C. El quark charm se descubrió en 1974, el bottom en 1977 y el top, muy masivo, en 1995 en Fermilab. Cada quark tiene su antiquark, de carga opuesta.
Carga de color e interacción fuerte
Además de carga eléctrica, los quarks poseen una propiedad llamada carga de color, con tres valores convencionalmente llamados rojo, verde y azul. No tiene relación con los colores visibles. La interacción fuerte entre quarks se transmite mediante unos bosones sin masa, los gluones, y está descrita por la cromodinámica cuántica (QCD).
Dos propiedades definen esta interacción:
- Confinamiento: la fuerza no disminuye con la distancia, de modo que los quarks no pueden separarse. Si se intenta, la energía acumulada crea nuevos pares quark-antiquark y se forman nuevos hadrones.
- Libertad asintótica: a distancias muy cortas, la interacción se debilita y los quarks se comportan casi como libres. Gross, Politzer y Wilczek recibieron el Nobel de Física de 2004 por descubrirla.
Las partículas observables siempre son neutras en color, es decir, «blancas».
Hadrones: bariones y mesones
- Bariones: formados por tres quarks. El protón es uud y el neutrón es udd.
- Mesones: formados por un quark y un antiquark. Por ejemplo, el pión positivo π⁺ es u d̄ y el kaón positivo K⁺ es u s̄.
- Exóticos: tetraquarks y pentaquarks, con cuatro y cinco quarks. El experimento LHCb del CERN anunció pentaquarks en 2015.
Un dato llamativo: la masa de los quarks u, u y d suma apenas unos 9 MeV/c², mientras que el protón pesa 938 MeV/c². Aproximadamente el 99 % de la masa del protón proviene de la energía de la interacción fuerte y del movimiento de los quarks y gluones, según E = m·c².
Por qué importan
Entender los quarks explica la estabilidad de los núcleos, el origen de la masa de la materia visible y procesos como la desintegración beta, en la que un quark d se convierte en u por la interacción débil. Forman parte de las partículas subatómicas y son uno de los pilares de la física moderna. En el universo primitivo, durante la primera millonésima de segundo, existió un plasma de quarks y gluones, que se reproduce en colisiones de iones pesados en el LHC. Para comprender su contrapartida, ver la antimateria.
Ejercicios resueltos
1. Comprueba la carga del protón (uud) y del neutrón (udd).
Protón: +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1. Neutrón: +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.
2. ¿Qué carga tiene el pión positivo π⁺, formado por un quark u y un antiquark d̄?
El antiquark d̄ tiene carga +1/3. Total: +2/3 + 1/3 = +1.
3. La partícula Δ⁺⁺ está formada por tres quarks u. ¿Cuál es su carga?
3 · (+2/3) = +2 unidades de carga elemental.
4. En la desintegración beta del neutrón, d → u + e⁻ + ν̄ₑ, verifica la conservación de la carga.
Antes: −1/3. Después: +2/3 + (−1) + 0 = −1/3. La carga se conserva.
Preguntas frecuentes
¿Cuántos tipos de quarks existen?
Seis: arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo (u, d, c, s, t y b). Se agrupan en tres generaciones.
¿Por qué no se pueden ver quarks sueltos?
Por el confinamiento: la fuerza fuerte crece con la distancia, y al intentar separar dos quarks se crean nuevos pares quark-antiquark en vez de liberar uno aislado.
¿De dónde viene el nombre quark?
Murray Gell-Mann lo tomó de la novela Finnegans Wake, de James Joyce, en 1964.
¿Los quarks son las partículas más pequeñas?
Hasta donde se sabe, son partículas elementales sin estructura interna medible, igual que los leptones y los bosones del modelo estándar. No se descarta que experimentos futuros revelen algo más.
¿Cómo se descubrieron?
La evidencia vino de los experimentos de dispersión inelástica profunda en SLAC a partir de 1968, que mostraron que el protón tiene constituyentes puntuales en su interior.
Referencias
- Griffiths, D. Introduction to Elementary Particles. Wiley-VCH.
- Particle Data Group. Review of Particle Physics. Progress of Theoretical and Experimental Physics.
- Krane, K. S. Modern Physics. Wiley.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Quarks». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/quarks/
