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Desintegración del quark d en quark u

Un quark d puede transformarse en un quark u por acción de la interacción nuclear débil. Este es el fenómeno que tiene lugar en la desintegración β⁻, en la que un neutrón se transforma en un protón con emisión de un bosón W⁻, que a continuación se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico:

$${\displaystyle n\longrightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$$

En el neutrón, uno de sus quarks d se transforma en un quark u por la acción del bosón intermediario W⁻, de modo que el neutrón pasa a ser un protón:

$${\displaystyle d\longrightarrow u+W^{-}\longrightarrow u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$$

Desintegración del quark u en quark d

Por otra parte, un quark u puede transformarse en un quark d. Es lo que ocurre en la desintegración β⁺: mediante el intercambio de un bosón W⁺, un quark u se convierte en un quark d, y el bosón W⁺ se desintegra inmediatamente en un positrón y un neutrino electrónico:

$${\displaystyle p^{+}\longrightarrow n+e^{+}+\nu _{e}}$$

o bien:

$${\displaystyle u\longrightarrow d+W^{+}\longrightarrow d+e^{+}+\nu _{e}}$$

Sin embargo, esta transformación es mucho menos frecuente que la emisión β⁻ habitual, que convierte un neutrón en un protón a través de un bosón W⁻. El motivo es que el neutrón tiene mayor masa que el protón, por lo que la transformación de un protón en un neutrón solo puede producirse en el interior de un núcleo, cuando el resto de este aporta la energía necesaria. Este hecho también puede explicarse a partir de las desintegraciones de los quarks libres, que siempre se producen desde un estado de mayor masa hacia otro de menor masa. Por tanto, el proceso espontáneo es la transformación del quark d en quark u, y no la inversa.

La transformación del quark u en quark d desempeña un papel fundamental en la cadena protón-protón de la fusión nuclear estelar. En este proceso, el deuterio se forma mediante la interacción débil, gracias a la transformación de un quark u en un quark d, que convierte uno de los protones en un neutrón.

Otras desintegraciones

En las desintegraciones de otros bariones se producen transformaciones de otros quarks en quarks u. Por ejemplo, el barión Λ⁰, formado por los quarks uds, se desintegra en un protón y un pion π⁻. En el barión Λ⁰, un quark s se transforma en un quark u mediante la emisión de un bosón W⁻, mediador de la interacción nuclear débil. Este bosón vectorial se desintegra a continuación en un quark d y un antiquark ${\displaystyle {\bar {u}}}$, que forman un pion π⁻.

También existen leptones cuya desintegración da lugar a quarks d. El leptón tau puede desintegrarse en diferentes partículas. Su modo de desintegración más frecuente, con una fracción de ramificación de aproximadamente el 25,5 %, produce dos piones y un neutrino tauónico, es decir, el neutrino asociado al leptón tau. Gracias a su elevada masa, es el único leptón que puede desintegrarse dando lugar a hadrones, especialmente piones, y por tanto también el único leptón que puede desintegrarse en quarks. El pion π⁻ está constituido por el par d${\displaystyle {\bar {u}}}$, mientras que el pion π⁰ es una superposición de los estados u${\displaystyle {\bar {u}}}$ y d${\displaystyle {\bar {d}}}$:

$${\displaystyle \tau ^{-}\longrightarrow \pi ^{-}+\pi ^{0}+\nu _{\tau }}$$