¿Los tipos de quarks difieren entre sí en otros aspectos además de la carga y la masa?

Sí, los quarks de diferentes sabores exhiben diferencias importantes en sus propiedades. Como sabemos, los quarks participan en todas las interacciones conocidas, pero los detalles de cómo suceden son importantes.

Empecemos por la interacción débil. El$u$quark, siendo el más ligero, es estable a interacciones débiles. El$d$el quark, siendo un poco más pesado, es cuasi-estable: en compuestos como el protón (uud) es estable pero en otros como el neutrón (udd) el quark d eventualmente decae a través de la interacción débil en una escala de tiempo de ~$10^3$segundos. El$s,c,b$los quarks son inestables bajo la interacción débil:$s$vive sobre$10^{-8}$s,$c$acerca de$10^{-13}$arena$b$acerca de$10^{-12}$s. (Por supuesto, no observamos quarks desnudos, por lo que los valores que cito son los tiempos de vida típicos de los hadrones que contienen tales quarks).

Es posible que haya notado algo extraño en el orden que publiqué anteriormente: ¿por qué el más pesado$b$quark vive más que el algo más ligero$c$¿cuarc?

Ordenemos los quarks por generaciones: las columnas 1, 2 y 3 son las generaciones respectivas (imagen de Wikipedia ).

Las líneas de esta figura muestran las desintegraciones débiles permitidas de los quarks; cuanto más oscuro es el color de la línea, más se permite cierta transición. Primero, uno nota que no hay transiciones horizontales como$b \to s$o$c \to u$: están prohibidos. De hecho, pueden aparecer a través de mecanismos más complejos, más suprimidos, con dos interacciones débiles, como$b\to c \to s$(ver FCNC ), pero no con una simple interacción débil. En segundo lugar, uno nota que las transiciones verticales, aquellas dentro de una generación, están súper mejoradas. En alrededor del 99% de los casos,$t$decae a$b$, o$c$decae a$s$. Las transiciones diagonales, como$b \to c$o$b \to u$están mucho más reprimidos. La relación que gobierna las tasas de desintegración débil permitida de los quarks es la matriz CKM .

¿Qué significa esta observación para la vida útil de los quarks, dado que conocemos las masas de los quarks? El$c$quark tiene una transición superpermitida para decaer a$s$(más una transición suprimida a$d$). El$b$quark, sin embargo, no puede usar su relación super-permitida para$t$como el$t$el quark es más pesado, por lo que el$b$quark no puede decaer en un$t$¡cuarc! Esto significa que solo se descompone en formas suprimidas para$c$o$u$quarks, lo que hace que el tiempo de vida del$b$algo más largo.

Ahora, ¿qué pasa con la vida útil del$t$¿cuarc? De hecho, el$t$es tan terriblemente pesado que es más pesado que el$W$bosón que media interacciones débiles. La interacción débil es Débil simplemente porque los bosones que la gobiernan son mucho más pesados ​​que las partículas de interés. Este no es el caso de la$t$: simplemente decae a través de$t \to W b$sin ningún tipo de represión. Esto hace que su vida útil sea ridículamente pequeña en$10^{-25}$nivel s. Es tan increíblemente pequeño que nunca logramos observar ningún hadrón (partícula compuesta) que contenga un$t$quark, sino sólo los productos de desintegración del$t$sí mismo.

Hay otra cosa interesante que surge de la estructura de la matriz CKM: la violación de CP . La violación de CP significa que ciertos modos de decaimiento de un hadrón y su antihadrón tienen algunas diferencias en la tasa. La naturaleza es tal que este efecto es mayor en desintegraciones débiles de hadrones que contienen$b$quarks, y es mucho más pequeño en otros sistemas de quarks.

Como puede ver, la interacción débil es lo que causa la mayoría de las diferencias entre los quarks de diferentes sabores.

¿Qué pasa con la interacción fuerte? En principio, aquí todos los quarks están en pie de igualdad, pero... una vez más, los detalles importan. La interacción fuerte tiene un alto poder a bajas energías, se caracteriza por la llamada libertad asintótica . Lo que significa que no puede sacar a los quarks de su estado límite: cuando intenta hacer eso, el "enlace" se rompe al crear un par quark-antiquark. Como a la interacción fuerte le gustan las energías bajas, es más probable que este par quark-antiquark resultante esté formado por los quarks más ligeros,$u\bar{u}$o$d\bar{d}$, que de quarks más pesados. (La interacción fuerte conserva el sabor del quark, por lo que debe producir quark y antiquark del mismo sabor). Por esa (pero no la única) razón, en una colisión promedio en un Gran Colisionador de Hadrones, se pueden producir cientos de piones, pero solo decenas de kaones y ~2 hadrones hechos de quarks más pesados. Los piones, formados por quarks ligeros, también abundan en las desintegraciones de hadrones pesados, p.$B \to D \pi \pi \pi$tendría una probabilidad similar o incluso mayor en comparación con$B \to D \pi$.
Este papel especial de los piones y los quarks ligeros en las interacciones fuertes está representado por la ley de conservación de Isospin que gobierna las tasas de los procesos de interacción fuerte. Es una ley aproximada, sin embargo, porque la$u$y$d$los quarks tienen masas ligeramente diferentes.

Finalmente, yendo a la interacción electromagnética. Nada especial aquí, la carga eléctrica del quark define sus propiedades. Los quarks pueden aniquilarse al encontrarse con sus antiquarks:$u\bar{u} \to \gamma \gamma$, pero para los quarks pesados, este proceso electromagnético se ve eclipsado por la fuerte interacción,$c\bar{c} \to (2-3) \, gluons \to light \, hadrons$.

Algunas observaciones finales. En la física de partículas experimental, cada quark tiene su propio papel. La ley importante que afecta el trabajo experimental es: cuanto más pesado es el quark, más difícil es producirlo. La sección representativa de la producción de quarks ligeros es varios órdenes de magnitud mayor que la de los quarks pesados. El$t$el quark se estudia por separado ya que no forma hadrones conocidos y es algo especial con respecto a las herramientas necesarias para estudiarlo. El$b$quark es una herramienta favorita de quienes estudian la violación de CP. Una cosa genial sobre el$b$es que es pesado y bastante longevo (si se compara con$t$o$c$) lo que significa que hay cientos de modos de caída disponibles para cada$b$hadrón. ¡Tanto que estudiar!$c$Los quarks están ganando popularidad en los últimos años y la gente está aprendiendo a medir la violación de CP en$c$hadrones, y tienen una gran cantidad de datos en comparación con$b$física (ver mi comentario sobre la sección transversal justo arriba). Los hadrones extraños o ligeros a menudo tienen una vida lo suficientemente larga como para ser tratados como estables a la escala del detector de partículas típico, incluso hacen haces de partículas hechos de estos hadrones.

Esta respuesta está lejos de ser exhaustiva y omití algunos detalles en aras de la simplicidad, pero hay algunas esperanzas de haber logrado responder la pregunta sin riesgo de recibir ese comentario desagradable que obtuvieron las otras respuestas :)

Si los seis sabores ($d,u,s,c,b,t$) todos tenían la misma masa y carga, todos serían distinguibles en el sentido de que el modelo aún incluye observables que (si se miden) detectarían una especie y no las otras.

Considere la cromodinámica cuántica (QCD) con$N$sabores de quarks de igual masa, sin las interacciones débiles y electromagnéticas y de Higgs. Este modelo tiene una simetría que mezcla todos los sabores, pero aún tiene observables que detectan uno de los$N$sabores sin detectar a los demás. Los observables están relacionados entre sí por simetría, pero siguen siendo observables distintos. (No he pensado en cómo se mediría realmente tal observable, pero la teoría tiene esos observables matemáticamente).

Esto es análogo al hecho de que podemos construir detectores que detecten solo fotones polarizados horizontalmente o solo fotones polarizados verticalmente, aunque estén relacionados entre sí por simetría de rotación. No llamamos a diferentes polarizaciones de fotones diferentes especies, porque están relacionadas entre sí por una simetría de espacio-tiempo . Por el contrario, los diferentes quarks en$N$-Los QCD de igual masa de sabor están relacionados entre sí por una simetría interna . Ya sea que los llamemos especies diferentes o no, es irrelevante: como sea que los llamemos, son distinguibles en el sentido que describí anteriormente.

Sí, eso es cierto, y bien conocido.

Los quarks vienen en 6 familias diferentes, llamadas sabores : arriba, abajo, arriba, abajo, encanto y extraño. Cada uno tiene una familia de antiquarks correspondiente, cada uno de los cuales tiene la carga eléctrica opuesta de la familia de quarks.

Cada quark, a su vez, viene en tres cargas de color : rojo, azul o verde, que se complementan con los anticolores (antirojo, antiazul o antiverde).

Los quarks también tienen giro 1/2, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo.

Todas las combinaciones son posibles y determinan exactamente cómo interactúa el quark con otros quarks: rojo antibottom spin up, antigreen extraño spin down, etc.