Si no podemos ver quarks, ¿cómo estamos seguros de que solo tres quarks formaron un protón o neutrón?

Podemos ver las huellas que hacen los quarks a medida que las partículas subatómicas se hacen pedazos en grandes colisionadores atómicos.

Estas máquinas disparan corrientes de partículas entre sí a una velocidad cercana a la de la luz que rompe las partículas subatómicas. Las partículas viajan a través de los detectores dejando rastros que permiten a los físicos determinar sus características.

¡Pero hay más de tres! Hay tres “quarks de valencia” que definen las propiedades de un barión, y luego hay un “mar” de pares virtuales quark-antiquark. ¿Cómo sabemos que hay tres quarks de valencia? Como podemos contar cuántos bariones observamos, organizarlos en familias, ver simetrías entre ellos y deducir que obtienes exactamente ese tipo de simetría con tres quarks que definen las propiedades de un barión.

También podemos medir la carga eléctrica de los quarks directamente. En colisiones electrón-positrón tenemos un par quark-antiquark creado por un fotón virtual. La probabilidad de creación de tal par es proporcional al cuadrado de la carga eléctrica del quark. Entonces, comparando la probabilidad de creación de un par quark-antiquark con la probabilidad de creación de un par muón (carga = 1 e) descubrimos que las cargas quark son 1/3 y 2/3 e, justo lo que se necesita para reproducir Los cargos de bariones construidos con tres quarks de valencia.

Ahora, ¿cómo sabemos que hay más pares quark-antiquark en los protones y cuántos de ellos hay en promedio allí? Sabemos que por la dispersión de leptones de alta energía (electrones, muones y neutrinos se han utilizado para ese propósito) en los protones. A alta energía, la longitud de onda de un leptón es tan corta que choca siempre con un solo quark dentro del protón. A partir del impulso del leptón antes y después de la colisión, puede reconstruir cuál fue el impulso del quark golpeado. Y podemos hacer distribuciones: con qué frecuencia encontramos un quark de un momento dado en el protón. Dichas distribuciones se conocen como funciones de estructura del protón. Esto es bastante interesante, porque resulta que esas distribuciones dependen del impulso de la partícula de la sonda: cuanto mayor sea la sonda de energía que use, más pares virtuales de quark / antiquark verá. Y estudiando esas distribuciones podemos “contar” los quarks en el protón, e incluso contribuciones separadas forman los quarks de valencia y mar.

“vemos” quarks por el rastro de escombros que dejan después de colisiones en experimentos de colisionadores de partículas. vemos un rocío de materia normal que es la descomposición de la materia exótica y deducimos los quarks exóticos de eso.

también “vemos” los quarks por matemática, como la forma más fácil de generar toda la materia normal mediante combinaciones del número mínimo de subunidades, dos tipos de quarks en tres colores más electrones.