Los quarks encanto o quarks c son los terceros más masivos de los seis quarks. Como todos los quarks, se consideran partículas fundamentales —tan pequeños que no se pueden dividir— y, por eso, forman parte del conjunto de partículas elementales. Al igual que los quarks up, los quarks charm tienen una carga eléctrica de +2/3 (en unidades de la carga elemental). Aunque los quarks encanto no son extremadamente comunes en la materia ordinaria, aparecen en partículas creadas en los modernos aceleradores de partículas (que hacen colisionar átomos o haces a velocidades próximas a la de la luz), como los mesones J/ψ, los mesones D y otras partículas que contienen encanto. Como son fermiones, los quarks encanto tienen un espín de 1/2 y obedecen el principio de exclusión de Pauli.

Propiedades fundamentales

  • Carga eléctrica: +2/3 e.
  • Espín: 1/2 (fermión).
  • Carga de color: llevan una de las tres cargas de color (rojo, verde o azul) del campo de la cromodinámica cuántica (QCD), por lo que participan en la interacción fuerte.
  • Masa: masa de corriente en el esquema MSbar alrededor de 1.27 GeV/c² (valores de referencia del Particle Data Group); la masa efectiva o "constituent" suele considerarse cercana a 1.5 GeV/c².
  • Interacciones: participan en las interacciones fuerte, electromagnética y débil; por ejemplo, el quark c puede decaer por interacción débil a quarks s o d.
  • Confinamiento: no se encuentran libres en la naturaleza; siempre están ligados en hadrones (mesones o bariones) debido al confinamiento de color.

Mesones, bariones y estados de charmonio

Los quarks encanto aparecen en varios tipos de hadrones:

  • Mesones D: contienen un quark c ligado a un antiquark ligero. Ejemplos: D0 (c ū), D+ (c d̄) y Ds+ (c s̄). Estos mesones son importantes para estudiar la física débil y las violaciones de CP en el sector charm.
  • Charmonium (c c̄): estados ligados de un quark c y su antiquark c̄. El más famoso es el mesón J/ψ (un estado 1S de charmonium), cuya masa es de aproximadamente 3.097 GeV/c² y que tiene una anchura de resonancia muy pequeña (es decir, una vida media relativamente larga para una partícula instable), lo que lo hace fácil de detectar experimentamente.
  • Bariones con encanto: contienen uno o más quarks c junto con quarks ligeros. Ejemplos: Λc+, Σc, Ξc y Ωc. Estos bariones ayudan a estudiar la dinámica de tres quarks y las propiedades de la interacción fuerte en presencia de masa pesada.

Descubrimiento y la "revolución de noviembre"

La existencia del quark encanto fue predicha teóricamente (entre otros motivos, por el mecanismo GIM para explicar la ausencia de decaimientos de corriente neutra de sabor a nivel observado). Experimentalmente, el descubrimiento decisivo vino en noviembre de 1974 con la observación independiente y casi simultánea de una nueva resonancia estrecha —el J/ψ— por los equipos liderados por Sam Ting (en Brookhaven) y Burton Richter (en SLAC). Este hallazgo se conoce como la "revolución de noviembre" porque confirmó la presencia de un nuevo sabor de quark y abrió una etapa de rápidos avances en la física de partículas, consolidando el modelo de quarks y sentando bases para la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD).

Producción y detección

Los quarks encanto se producen en reacciones de alta energía, por ejemplo en colisiones e+e−, en colisiones protón‑protón en aceleradores como el LHC, o en interacciones de rayos cósmicos. Tras su producción se hadronizan formando mesones y bariones con encanto. La detección experimental se realiza observando los productos de decaimiento de esos hadrones (p. ej., pares leptónicos de alta energía provenientes del decaimiento del J/ψ), usando detectores de trazas, cámaras de calor y sistemas de identificación de partículas.

Importancia en física

  • El quark encanto fue clave para validar el modelo de quarks y para el desarrollo de QCD como teoría de la interacción fuerte.
  • Los estudios de hadrones con encanto permiten probar predicciones de la teoría de hadrones, medir parámetros de la interacción débil y buscar nueva física más allá del Modelo Estándar mediante búsquedas de violación de CP o procesos raros.
  • Los estados de charmonium (como J/ψ) sirven como "laboratorio" para estudiar la interacción entre quarks pesados y las propiedades del vacío de QCD.

En resumen, el quark encanto es una pieza fundamental del Modelo Estándar: tiene carga +2/3, espín 1/2, una masa intermedia entre los quarks ligeros y los más pesados, y aparece formando mesones y bariones que son esenciales para explorar la física de partículas tanto teórica como experimentalmente.