Los quarks up son partículas subatómicas fundamentales que forman parte de la materia ordinaria. Tienen una carga eléctrica de +2/3 (en unidades de la carga del electrón) y pertenecen al primer sabor entre los seis (sabores) de quarks. Como todos los fermiones, los quarks up poseen un espín de 1/2. También llevan carga de color, la propiedad que hace que interactúen fuertemente entre sí mediante gluones; por eso nunca se observan aislados en condiciones normales, sino confinados dentro de hadrones como protones y neutrones. Son partículas elementales, lo que significa que, hasta donde llega el conocimiento actual, no tienen estructura interna ni se dividen en componentes más pequeños.

Masa y naturaleza dinámica

Los quarks up son muy ligeros en comparación con la mayoría de las partículas compuestas: su masa "actual" (en el esquema de renormalización MSbar a una escala típica) está en el orden de unos pocos MeV/c². Sin embargo, en modelos de estructura de hadrones se usa una masa "constituyente" mucho mayor (del orden de cientos de MeV) porque la mayor parte de la masa de protones y neutrones proviene de la energía del campo de la fuerza fuerte y de la dinámica de gluones y pares quark‑antiquark virtuales, no sólo de las masas de los quarks individuales.

Interacciones: las cuatro fuerzas

  • Gravedad: la gravedad afecta a los quarks como a cualquier otra forma de energía/masa, pero su efecto es completamente despreciable a escala subatómica.
  • Fuerza fuerte: la fuerza fuerte (intermediada por gluones) es la responsable de mantener unidos a los quarks dentro de hadrones; también explica fenómenos como la confinación y la libertad asintótica a altas energías.
  • Fuerza débil: mediante la fuerza débil los quarks pueden cambiar de sabor —por ejemplo, en procesos de decaimiento— lo cual es clave en reacciones como la desintegración beta.
  • Electromagnetismo: por su carga, los quarks up interactúan con el campo electromagnético y contribuyen a las propiedades eléctricas de los hadrones.

Quarks up en protones, neutrones y otras partículas

Los protones (que tienen una carga total de +1) están formados por dos quarks up (cada uno con carga +2/3) y un quark down (carga -1/3). Los neutrones (que tienen una carga total de 0) están formados por un quark up y dos quarks down. Estos quarks “valencia” determinan la carga y la mayoría de las propiedades cuánticas de los nucleones, pero dentro de un protón o un neutrón también existe un mar dinámico de gluones y pares quark‑antiquark virtuales (los llamados sea quarks) que influyen en la masa, el momento angular y las distribuciones de momento.

Los quarks up también participan en la formación de partículas más complejas, como los piones. Por ejemplo, el píon positivo (π+) está compuesto por un quark up y un antiquark down (u anti-d), mientras que el píon negativo es su antipartícula (d anti-u). Estas combinaciones quark‑antiquark son llamadas mesones, a diferencia de los bariones (como protones y neutrones) que contienen tres quarks.

Procesos importantes y observación

En procesos de desintegración mediada por la fuerza débil, un quark down puede transformarse en un quark up (o viceversa) emitiendo las partículas correspondientes (electrones, neutrinos o bosones W). Este tipo de transiciones subyacen, por ejemplo, en la desintegración beta de núcleos. Además, en colisionadores de alta energía se estudian las propiedades de los quarks up a través de jets y de las distribuciones de partones dentro de los hadrones.

Espín y el "rompecabezas del espín" del nucleón

Aunque cada quark up tiene espín 1/2, los estudios experimentales muestran que la suma de los espines de los quarks no explica por sí sola todo el espín total del protón. El llamado "rompecabezas del espín" indica que una fracción del espín del nucleón proviene de los gluones y de la energía orbital de quarks y gluones dentro del nucleón.

En resumen, los quarks up son componentes esenciales de la materia visible: ligeros, con carga +2/3 y espín 1/2, participan en las cuatro fuerzas fundamentales y, junto con otros quarks y gluones, determinan la estructura y propiedades de protones, neutrones y una amplia variedad de hadrones.