Quark bottom (quark B): definición y propiedades
Quark bottom (quark B): definición, propiedades, carga y decaimiento en mesones B. Explicación clara y actualizada para entender su papel en la física de partículas.
Los quarks inferiores o quarks de belleza son las segundas partículas elementales más masivas (partículas tan pequeñas que no pueden dividirse más). Todos los quarks son partículas elementales. Los quarks bottom tienen una carga de -1/3, similar a la de los quarks down. Aunque los quarks bottom no son muy comunes, se encuentran en partículas como los mesones B, entre otras. Todos los quarks bottom decaerán en quarks charm o quarks up en aproximadamente 10 –12, debido a la fuerza débil.
Definición y denominación
El quark bottom (símbolo b), también llamado quark de belleza, es un fermión elemental de tipo "down" perteneciente a la tercera generación de quarks. Se le llama "bottom" o "beauty" en inglés y en literatura hispana suele traducirse como inferior o de belleza; su estado contrario es el antiquark bottom (b̄).
Propiedades básicas
- Carga eléctrica: −1/3 e.
- Spin: 1/2 (es un fermión).
- Masa aproximada: del orden de varios GeV/c2 (valores típicos citados por la literatura y PDG: masa en el esquema MSbar ≈ 4.18 GeV/c2, masa de polo ≈ 4.7–4.8 GeV/c2), por lo que es el segundo quark más masivo después del top.
- Carga de color: participa en la interacción fuerte y, como todos los quarks, lleva color de QCD (no puede existir libre, queda confinado dentro de hadrones).
- Interacciones: participa en las cuatro interacciones fundamentales: principalmente interacción fuerte (confinamiento en hadrones) y decae mediante la interacción débil.
Hadrónes que contienen quark bottom
El quark bottom no aparece libre en la naturaleza: forma hadrones compuestos por quarks. Ejemplos importantes:
- Mesones B: B+, B0, Bs0, etc. (constituidos por un quark bottom y un antiquark ligero).
- Bariones bottom: Λb, Ξb, Ωb, etc. (tres quarks incluyendo al b).
- Bottomonium (bb̄): estados ligados b b̄ como las resonancias Υ (upsilon), análogos al positronio o al charmonio (J/ψ) pero con quarks bottom.
Decaimientos y vida media
El quark bottom decae por la interacción débil, típicamente transformándose en un quark charm (b → c) o, con menor probabilidad, en un quark up (b → u), mediante la emisión de un bosón W virtual. Esos decaimientos están gobernados por los elementos de la matriz CKM (Vcb, Vub, etc.), lo que determina las probabilidades relativas y permite estudiar la violación CP.
Los hadrones con quark b tienen vidas medias del orden de 10−12 s (1 picosegundo), típicamente entre ~1 y 2 ps para varios mesones B; en detectores eso corresponde a desplazamientos de vértice del orden de cientos de micrómetros a milímetros, lo que permite su identificación experimental mediante el llamado vertexing.
Producción y descubrimiento
Los quarks bottom se producen en colisiones de alta energía (aceleradores de partículas, colisionadores hadrónicos y e+e−) y en procesos de desintegración de estados muy energéticos. Históricamente, la existencia del quark bottom quedó bien establecida tras el descubrimiento de la resonancia Υ (un estado de bottomonium) en 1977 en el experimento E288 en el Fermilab; a partir de ahí se identificaron hadrones con contenido b y se midieron sus propiedades en detalle en experimentos como BaBar, Belle y más recientemente LHCb en el LHC.
Importancia en la física de partículas
- Los decaimientos de los quarks bottom y los mesones B son una herramienta clave para estudiar la violación de la simetría CP y verificar la estructura de la matriz CKM del Modelo Estándar.
- Las mediciones de parámetros b (masas, tiempos de vida, modos de decaimiento, etc.) son sensibles a posibles efectos de nueva física más allá del Modelo Estándar, por lo que la física B es un área activa de investigación.
- El estudio de estados bottomonium sirve para probar predicciones de la cromodinámica cuántica (QCD) en el régimen de acoplamiento intermedio.
En resumen, el quark bottom (b) es un componente fundamental de la física de hadrones pesados: posee carga −1/3, spin 1/2, una masa relativamente elevada y decae por la fuerza débil en tiempos del orden de 10−12 s. Aunque no se observa libre debido al confinamiento, su presencia se evidencia en mesones B, bariones con b y en estados bb̄, que constituyen un laboratorio esencial para probar el Modelo Estándar y buscar nueva física.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son los quarks inferiores?
R: Los quarks inferiores, también conocidos como quarks de belleza, son partículas elementales y la segunda más pesada de todas las partículas elementales.
P: ¿Cuál es la carga de los quarks bottom?
R: La carga de los quarks bottom es -1/3, similar a la de los quarks down.
P: ¿En qué partículas se encuentran normalmente los quarks bottom?
R: Los quarks bottom se encuentran en partículas como los mesones B.
P: ¿Son comunes los quarks bottom?
R: No, los quarks bottom no son muy comunes.
P: ¿Cuál es el tiempo de desintegración de los quarks bottom?
R: Todos los quarks bottom decaen en quarks charm o up en unos 10-12 segundos debido a la fuerza débil.
P: ¿Qué tipo de partículas son los quarks?
R: Todos los quarks son partículas elementales.
P: ¿Cuál es la más pesada de todas las partículas elementales?
R: No se menciona en el texto.
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