En física de partícules, un quark és una partícula elemental i un component fonamental de la matèria. Els quarks es combinen per formar partícules compostes anomenades hadrons, els més estables dels quals són els protons i els neutrons, els components dels nuclis atòmics. A causa d'un fenomen conegut com a confinament de color, els quarks no es poden observar directament ni es troben en solitari; es poden trobar només a dins d'hadrons, com ara els barions (dels quals, els protons i els neutrons en són exemples) i els mesons. Per aquest motiu, la major part d'informació sobre els quarks s'ha extret d'observacions dels mateixos hadrons. Només en situacions d'altes temperatures i/o densitats, els quarks esdevenen quasi-lliures dins una fase deconfinada del plasma de quarks i gluons.
Els quarks tenen una sèrie de propietats intrínseques, entre aquestes càrrega elèctrica, massa, càrrega de color i espín. Els quarks són les úniques partícules elementals del model estàndard de física de partícules que experimenten les quatre forces fonamentals (electromagnetisme, gravetat, força nuclear forta i força nuclear feble), així com les úniques partícules amb una càrrega elèctrica que és una fracció de la càrrega elèctrica elemental (+ o -).
Hi ha sis tipus de quarks, coneguts com a sabors: u, d, s, c, b i t. Els quarks u i d tenen les menors masses d'entre tots els quarks. Els quarks més pesants canvien ràpidament cap a quarks u i d amb un procés de desintegració de partícules: la transformació d'un estat més alt de massa cap a un estat més baix de massa. Per aquest motiu, els quarks u i d són generalment estables i els més comuns de l'univers, mentre que els quarks estrany, encant, fons i cim només es poden produir en col·lisions altament energètiques (com ara, les que involucren rajos còsmics i en acceleradors de partícules). Per cada sabor de quark existeix una antipartícula corresponent, coneguda com a antiquark, que només difereix del quark en què algunes de les seves propietats tenen la mateixa magnitud, però signe oposat.
El model de quarks fou proposat de forma independent pels físics Murray Gell-Mann i George Zweig el 1964. Els quarks foren introduïts com a parts d'un model esquemàtic dels hadrons i hi hagué poques proves de la seva existència física fins als experiments de dispersió inelàstica profunda duts a terme al SLAC National Accelerator Laboratory el 1968. Els experiments de l'accelerador han proveït evidència per als sis sabors. El quark cim fou l'últim a ser descobert al Fermilab el 1995.
Classificació esquerra|miniatura|Sis de les partícules del model estàndard són quarks (en lila). Cada una de les tres primeres columnes forma una generació de matèria esquerra|miniatura|Esquema d'un neutró format per un quark amunt (u) i dos quarks avall (d), units per la força nuclear forta. esquerra|miniatura|Un pió positiu (π+) és una partícula formada per un quark amunt (u) i un antiquark avall () units per la força nuclear forta El model estàndard de física de partícules és el marc teòric que descriu totes les partícules elementals conegudes. Aquest model conté sis sabors de quarks (q), anomenats dalt (u), baix (d), estrany (s), encant (c), fons (b) i cim (t). Les antipartícules dels quarks s'anomenen antiquarks i es denoten amb una ratlla sobre el símbol del quark corresponent (per exemple, per antiquark dalt). Com passa amb l'antimatèria en general, els antiquarks tenen la mateixa massa, temps de vida mitjà i espín que els seus quarks respectius, però la càrrega elèctrica i d'altres càrregues tenen el signe oposat.
Els quarks són partícules amb d'espín, la qual cosa implica que són fermions segons el teorema d'estadística de l'espín. Estan sotmesos al principi d'exclusió de Pauli, que enuncia que no hi pot haver dos fermions idèntics ocupant simultàniament el mateix estat quàntic. Això contrasta amb els bosons (partícules amb espín enter), dels quals n'hi pot haver qualsevol quantitat en el mateix estat. A diferència dels leptons, els quarks contenen càrrega de color, la qual cosa els immergeix en la força nuclear forta. L'atracció resultant entre els diferents quarks provoca la formació de partícules compostes conegudes com a hadrons.
Els quarks que determinen els nombres quàntics reben el nom de quarks de valència; a part d'aquests, qualsevol hadró pot contenir un nombre indefinit de quarks virtuals, antiquarks i gluons que no influeixen en els seus nombres quàntics. Hi ha dues famílies d'hadrons: barions, amb tres quarks de valència, i mesons, amb un quark de valència i un antiquark.Secció 6.1. a Els barions més comuns són el protó i el neutró, els blocs de construcció del nucli atòmic. Es coneix un gran nombre d'hadrons (vegeu Llista de barions i Llista de mesons), la majoria dels quals es diferencien pels quarks que els constitueixen i les propietats que aquests els atorguen. L'existència d'hadrons «exòtics» amb més quarks de valència, com ara els tetraquarks (qq) i els pentaquarks (qqqq), s'ha conjecturat però no s'ha demostrat. Diversos grups de recerca aclamaren haver demostrat l'existència dels tetraquarks i els pentaquarks a principis de mil·lenni. Encara que l'estatus dels tetraquarks encara és tema de debat, tots els candidats de pentaquark coneguts s'han establert com a no existents des de llavors. Tanmateix, el 13 de juliol de 2015 l'experiment LHCb al CERN va reportar resultats consistents amb els estats dels pentaquarks.
Els fermions elementals s'agrupen en tres generacions, cada una de les quals comprèn dos leptons i dos quarks. La primera generació inclou els quarks dalt i baix, el segon els quarks estrany i encant i el tercer els quarks fons i cim. Totes les cerques d'una quarta generació de quarks i d'altres fermions elementals han fallat i hi ha proves indirectes de pes que no n'existeixen més de tres generacions. La principal prova està basada en l'amplitud de ressonància dels bosons W i Z, que restringeix el neutrí de la 4a generació a tenir una massa major que ~. Això contrastaria amb els neutrins de les altres tres generacions, les masses dels quals no poden excedir Generalment, les partícules de les generacions més altes tenen més massa i menor estabilitat, fent que es desintegrin en partícules de generacions més baixes mitjançant la força nuclear feble. Comunament, en la natura, només podem trobar quarks de primera generació (dalt i baix). Els quarks més pesants només es poden crear en col·lisions altament energètiques (com les que involucren raigs còsmics) i es desintegren ràpidament; tanmateix, es creu que hi eren presents durant les primeres fraccions de segon posteriors al big-bang, quan l'univers estava en una fase extremadament calenta i densa (l'època dels quarks). Els estudis de quark més pesants es condueixen en condicions creades artificialment, com ara en acceleradors de partícules.
Els quarks tenen càrrega elèctrica, massa, càrrega de color i sabor; en conseqüència, són les úniques partícules conegudes que experimenten les quatre forces fonamentals de la física contemporània: electromagnetisme, gravitació, força nuclear forta i força nuclear feble. La gravitació és prou dèbil per a ser irrellevant en interaccions individuals entre partícules, excepte en casos extrems d'energia (energia de Planck) i de distància (longitud de Planck). No obstant això, com que no hi ha cap teoria convincent de la gravetat quàntica, la gravitació no està descrita per al model estàndard.
Vegeu la taula de propietats de més avall per un sumari complet de les característiques dels sis sabors de quarks.
Història El model de quarks va ser proposat de forma independent pels físics Murray Gell-Mann i George Zweig el 1964. La proposta va arribar poc després que Gell-Mann formulàs un sistema de classificació de partícules conegut com a camí òctuple –o, més tècnicament, simetria de sabor SU(3). Original: El físic Yuval Ne'eman va desenvolupar paral·lelament un esquema similar al camí òctuple aquell mateix any.Original:
miniatura|esquerra|Murray Gell-Mann, juntament amb George Zweig, proposà el model de quarks el 1964 Quan es va concebre la teoria dels quarks, el «zoo de partícules» (el conjunt de suposades partícules elementals) incloïa, entre d'altres, una multitud d'hadrons. Gell-Mann i Zweig postularen que no eren partícules elementals, sinó combinacions de quarks i antiquarks. El model descrivia tres sabors de quark: dalt, baix i estrany, als quals hi adscrigueren propietats com espín i càrrega elèctrica. La reacció inicial de la comunitat física envers la proposta va ser mixta. Hi havia cert debat sobre si el quark era una vertadera entitat física o una mera abstracció utilitzada per explicar conceptes desconeguts a l'època.
En menys d'un any, es proposaren extensions al model de Gell-Mann-Zweig. Sheldon Lee Glashow i James Bjorken predigueren l'existència d'un quart sabor de quark, que anomenaren «encant». L'afegitó es va proposar perquè permetia una millor descripció de la força nuclear feble (el mecanisme que permet als quarks desintegrar-se), igualava el nombre de quarks al nombre llavors conegut de leptons i implicava una fórmula màssica que reproduïa correctament les masses dels mesons coneguts.
El 1968, experiments de dispersió inelàstica profunda al Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) mostraren que el protó contenia objectes puntuals molt més petits i que per tant no era una partícula elemental. Aleshores els físics eren reticents d'identificar aquests objectes com a quarks, anomenant-los partons (terme encunyat per Richard Feynman). Els objectes observats al SLAC s'identificarien com a quarks dalt i baix més endavant, així com es conegueren els altres sabors de quark. En tot cas, el terme «partó» se segueix emprant com a nom col·lectiu pels constituents dels hadrons (quarks, antiquarks i gluons).
L'existència del quark estrany es va validar indirectament als experiments de dispersió del SLAC; no només era un component necessari del model de Gell-Mann i Zweig de tres quarks, sinó que a més proporcionava una explicació pels hadrons de kaons (K) i pions (π) descoberts a rajos còsmics el 1947.
En un document del 1970, Glashow, John Iliopoulos i Luciano Maiani presentaren l'anomenat mecanisme GIM per explicar la no observació experimental de corrents neutrals amb canvis de sabor. Aquest model teòric requeria l'existència de l'encara no descobert quark encant. El nombre de sabors teoritzats augmentà fins als sis actuals el 1973, quan Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa notaren que l'observació experimental de la violació CPLa violació CP és un fenomen que fa que les interaccions febles es comportin diferentment quan la dreta i l'esquerra s'intercanvien (simetria P) i quan les partícules es substitueixen per les antipartícules corresponents (simetria C). es podia explicar si existís un altre parell de tipus de quark.
Es produïren quarks encant de forma gairebé simultània per dos equips el novembre de 1974 (Revolució de Novembre), un a SLAC sota la direcció de Burton Richter i un al Brookhaven National Laboratory sota la de Samuel Chao Chung Ting. Els quarks encant s'observaren lligats amb antiquarks encant als mesons. Els dos equips assignaren al mesó descobert dos símbols diferents, J i ψ, per la qual cosa passà a conèixer-se formalment com a mesó J/ψ. El descobriment va convèncer finalment als físics de la validesa del model de quarks.
En els anys següents aparegué un seguit de suggeriments per a estendre el model de quarks a sis quarks. D'aquests, el document de 1975 per Haim Harari fou el primer en encunyar els termes cim i fons per referir-se als quarks addicionals.