Modelos de quarks: existem brechas para dúvidas?

8 de fevereiro, 2022 às 16:31 | Postado em Estrutura da matéria, Física Nuclear, Física de Partículas, Interações fundamentais

Olá professor.

Antes de tudo me permita contextualizar.  A existência dos Quarks foi proposta com base na descoberta da partícula Δ++, tendo este modelo funcionado de forma perfeitamente bem para prever as propriedades de uma coleção partículas. Hoje temos diversas evidências da existência dos quarks, de forma que a QCD fornece resultados bastante fiéis aos esperados.

Contudo, existe uma grande dificuldade na determinação da massa dos quarks. A principal dificuldade refere-se ao fato de que os quarks jamais encontram-se isolados dado que a energia para quebrar as partículas que eles compõem (e consequentemente isola-los) é maior do que a energia de criação de pares, de forma que sempre que quebramos uma partícula para isolar os quarks automaticamente criamos um par de quark-antiquark que se combina com os quarks isolados. Na tentativa de mensurar suas massas, diversos autores obtém valores diferentes os sabores de quark, os quais mostram-se dependentes tanto do método utilizado quanto das pressuposições de sabores de quark enraizada no QCD.

Minha dúvida reside especificamente nesta questão. Restringindo-se primeiramente aos quarks leves (de primeira geração) é possível que existam outros quarks de carga idêntica ao quark Up ou quark Down mas com massa levemente diferente?
Especificamente, estava me questionando sobre a possível existência de um quark similar ao quark down, com massa levemente diferente, mas com carga elétrica e spin idênticos. Seria possível que algo assim existisse?
Na verdade pensei em várias hipóteses que me levaram a esta questão.
Muito Obrigado!

Pergunta interessante e criativa. Supomos que existisse um novo quark tipo-down, com massa próxima do quark down. Haveria 2 consequências imediatas:

1) Na espectroscopia hadrônica, deveriam existir mésons e bárions leves que tenham como constituinte este novo quark. No caso de mésons seriam tipo-píon por exemplo (os píons carregados e neutros são constituídos dos quarks mais leves, up e down e suas anti-partículas). Como são leves seriam produzidos, a princípio, abundantemente em colisões em aceleradores como o Large Ladron Collider (LHC) de maneira similar aos píons. Isto não é verificado experimentalmente desde os anos 1950´s. Cesar Lattes e Eugene Gardner foram os pioneiros na produção artificial de píons no ciclotron de Berkeley (Califórnia/EUA)  em 1948.

2) Do ponto de vista teórico teríamos uma tensão importante referente à simetria aproximada de isospin (spin isotópico ou spin isobárico). As massas dos quarks up e down são ambas muito pequenas e muito próximas uma da outra. Devido a isto, podemos descrevê-los como se fossem diferentes auto-estados da mesma partícula (mesmo isospin) mas com diferentes componentes-3 de isospin. Seria similar ao elétron, que tem spin s = 1/2 mas 2 estados possíveis para a componente 3 (ou z, assumido por exemplo como o eixo de quantização), s_z=-1/2,+1/2.   O conceito de isospin foi introduzido por Heisenberg em física nuclear em 1932 (considerou próton e nêutron como um dubleto de isospin: dois auto-estados distintos da mesma partícula, o nucleon). Eugene Wigner cunhou o termo “spin isotópico” em 1937 quando analisou as simetrias do hamiltoniano em física nuclear. A estrutura matemática para descrever o isospin de um sistema é idêntica àquela do momento angular (spin).

É postulado que as interações fortes são invariantes sobre rotações no espaço de isospin (confirmado ao longo do tempo, experimentalmente). Isso significa que se todos os quarks up fossem substituídos por quarks down, as interações fortes permaneceriam inalteradas. O grupo de simetria associado neste caso é o SU(2). O isospin é conservado na interação forte, mas não pelas outras interações (por exemplo, up e down interagirão de maneira diferentemente eletromagneticamente pois suas cargas elétricas são distintas). A simetria de isospin prediz as razões das seções de choque nos espalhamentos píon-nucleon com precisão altíssima. Esta mesma simetria (invariância no isospin) permite predizer com grande acurácia a massa do bárion Lambda (bárion mais leve que contém o quark estranho), através da fórmula de massa de Gell-Mann–Okubo.