Quarks e Léptons

Quarks e léptons são as duas famílias de férmions elementares de spin-1/2 que constituem toda a matéria conhecida no Modelo Padrão.

Definition

Quarks e léptons são os férmions elementares de spin-1/2 do Modelo Padrão; quarks (up, down, charm, strange, top, bottom) carregam carga de cor e se combinam em hádrons, enquanto léptons (elétron, múon, tau e seus neutrinos) não carregam cor e interagem apenas através da força eletrofraca.

Scope

Este tópico abrange os seis quarks e seis léptons, sua organização em três gerações e os números quânticos que os distinguem: carga elétrica, cor, isospin fraco e sabor. Ele trata da distinção entre quarks, que carregam cor e são confinados dentro de hádrons, e léptons, que são incolores e podem existir como partículas livres, juntamente com suas antipartículas e o padrão empírico das massas dos férmions.

Core questions

• Por que quarks e léptons vêm em exatamente três gerações de massa crescente?
• Quais números quânticos distinguem os diferentes quarks e léptons?
• Por que os quarks são confinados dentro de hádrons enquanto os léptons existem livremente?
• Como as interações fracas que mudam o sabor misturam as gerações de quarks?

Key concepts

• Seis sabores de quarks e carga elétrica fracionária
• Léptons carregados e neutrinos
• Três gerações de férmions
• Carga de cor e confinamento de quarks
• Dubleto de isospin fraco
• Antiquarks e antiléptons

Key theories

Modelo de quarks de hádrons

Gell-Mann e Zweig propuseram que os hádrons são compostos de quarks com carga fracionária, com bárions feitos de três quarks e mésons de um par quark-antiquark, explicando o espectro observado de partículas que interagem fortemente.

Estrutura de sabor de três gerações

Os quarks e léptons se replicam em três gerações com interações de calibre idênticas, mas massas diferentes, e as gerações de quarks se misturam através da matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa em processos fracos de corrente carregada.

Clinical relevance

As propriedades dos quarks e léptons estabelecem os blocos de construção para toda a matéria atômica, governam a composição de prótons e nêutrons e são medidas com alta precisão em experimentos de colisor e de alvo fixo que testam o Modelo Padrão e buscam novas gerações ou subestrutura.

History

O modelo de quarks foi introduzido independentemente por Gell-Mann e Zweig em 1964 para organizar o crescente "zoológico" de hádrons, e experimentos de espalhamento inelástico profundo no SLAC no final da década de 1960 revelaram constituintes pontuais dentro do próton. A família dos léptons foi estendida pela descoberta do múon, do tau e de seus neutrinos associados, enquanto os quarks charm, bottom e top completaram a estrutura de três gerações até 1995.

Key figures

• Murray Gell-Mann
• George Zweig
• Makoto Kobayashi
• Toshihide Maskawa

Seminal works

• gellmann1964
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

Por que quarks livres nunca foram observados?

Os quarks são confinados pela interação forte: a energia necessária para separá-los cresce com a distância, então afastar os quarks produz novos pares quark-antiquark em vez de quarks livres isolados.

Quantas gerações de quarks e léptons existem?

Três gerações são conhecidas. Medidas da largura de decaimento do bóson Z restringem o número de espécies de neutrinos leves a três, consistente com exatamente três gerações de férmions ordinários.