Lo que son los quarks

ISSN: 2665-3974 (en línea)

Luarevista 2, enero-junio 2019

Por Iván R. Vásquez Ordóñez – [email protected]

Alguna vez pensamos que los átomos eran la parte más pequeña de la materia que podríamos observar, eso lo sabemos desde niños. Lo que nunca nos dijeron es que dentro del átomo se lleva a cabo una lucha de proporciones titánicas entre los constituyentes del núcleo, que estos constituyentes son pequeñas partículas y que la fuerza que principalmente se creía unía al átomo, realmente, en el núcleo, queda relegada. Veamos, el núcleo atómico está siempre compuesto por partículas llamadas protones y neutrones, unas son de carga positiva y otras, de carga neutra. Por leyes de la electricidad, las cargas de una misma polaridad deben repelerse unas con otras, entonces, ¿no deberían los protones salir volando del núcleo y desintegrar el átomo? ¡Sorprendentemente no es así!: Existe algo más.

Existe, sí, una fuerza aún más intensa que la fuerza eléctrica en el núcleo y que es un mero remanente, un fantasma que sobrevivió a la lucha titánica dentro del núcleo: “la fuerza nuclear fuerte”. Esta ha sido capaz de mantener unido el núcleo desde el inicio del tiempo, por algo lleva ese nombre. Ahora bien, ¿qué será el “remanente»? Sucede que esta fuerza tiene un rango de acción muy corto y es más poderosa a escalas más pequeñas que el núcleo (o que las partículas que lo componen), así que gran parte de su poder lo enfoca en otro asunto. Digamos que lo enfoca en “crear” las partículas del núcleo. Se podría pensar  que estas partículas eran todo lo que había, pero no es del todo así. Los físicos invirtieron tanto tiempo estudiando los núcleos que al final terminaron destruyendolos en mil pedazos. Fueron muchas las cosas que salieron de allí y realmente eso era un indicio de que algo más acechaba en lo profundo de la materia, algo jamás detectado por ningún ser humano, algo más pequeño que lo más pequeño que, creíamos, existía.

Así se descubrieron los quarks en 1964. Quark es un nombre realmente curioso y novelesco, fue adoptado por Murray Gell-Mann, uno de sus proponentes (M. Gell-Mann, Phys. Lett., 1964, pp. 214. En: 10.1016/S0031-9163(64)92001-3), junto a George Zweig (G. Zweig, 1980, Developments in the Quark Theory of Hadrons, Volume 1. Indiana: Edited by D. Lichtenberg and S. Rosen, pp. 22-101). El nombre se deriva del sonido `kwork’ que Gell-Mann había querido adoptar para estas partículas, lo novelesco viene de la frase “Tres quarks para Muster Mark«, que según la referencia “Fifty years of quarks”, de Cian O’Luanaigh (este artículo se puede consultar en: https://home.cern/news/news/physics/fifty-years-quarks), fue tomada de la novela Finnegans Wake de James Joyce. Al parecer, una de las razones que llevaron a Gell-Mann a utilizar esta palabra (además de la rima con Mark), fue el hecho de que su propuesta teórica implicaba la existencia de tres quarks. En relación con esto, un artículo en el sitio oficial del Merrian-Wester Dictionary, también se menciona que Murray Gell-Mann “imaginó que la frase de Joyce ‘Tres quarks para Muster Mark’ era una variación del llamado del dueño de un bar ‘Tres cuartos para Mister Mark’” (este artículo se puede consultar en: https://www.merriam-webster.com/words-at-play/quark). En este mismo artículo se señala que “el propio Joyce aparentemente estaba pensando en una palabra alemana para un producto lácteo que se asemeja al requesón”. En la época de su descubrimiento, la física de partículas había florecido y se encontraban cada vez más partículas en varios experimentos. En su mayoría, estas partículas eran de un tipo llamadas “hadrones”, que están ligadas mediante la fuerza nuclear fuerte, pero que en su mayoría son inestables. Resulta que los protones y neutrones también son hadrones y, al hacer parte del núcleo atómico, ambos son completamente estables. Estos quarks componen a los hadrones, haciéndoles perder su calidad de fundamentales. Y es que los quarks, junto con el mecanismo que los ata para formar hadrones, son quienes llegan para salvar la unión del átomo. Esto lleva a la desconcertante conclusión que un Universo con sólo interacciones gravitacionales y electromagnéticas no podría sostener la materia ni conformarla. Los quarks son héroes que hacen posible la unión. Héroes que para describirlos se necesitaba tener fe en las abstracciones absurdas y bellas de la física porque, en cierta forma, son puntos, sin definición dimensional alguna (Pbs.org, 2014, en: https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/smaller-than-small/). Era imprescindible mucha imaginación para confiar en la existencia de estas partículas y por eso los físicos se resistían. Sin embargo, y a pesar de su incapacidad para imaginar estos `cuacs’, `barks’, o cualquier sea el nombre que reciban, la evidencia llegó en 1969 con los experimentos del SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) (E. D. Bloom et al., 1969, en: 10.1103/PhysRevLett.23.930) (M. Breidenbach et al.,1969, en: 10.1103/PhysRevLett.23.935), durante los procesos llamados “dispersiones inelásticas profundas”. El experimento consistió bombardear hadrones con partículas conocidas como leptones (electrones, muones, neutrinos), con tan altas energías que se pueden sondear las estructuras internas de hadrones como el protón o el neutrón. Tiempo después, cuando se lograron ordenar todas las partículas elementales en un solo modelo (que se llamó “Modelo Estándar” y que se puede apreciar en la figura 1), se estableció que toda la materia conocida está compuesta por estas partículas, y los quarks cumplen el rol de formar las partículas que componen los núcleos atómicos, constituyendo toda la materia ordinaria que existe en el Universo. Hoy, gracias a una gran cantidad de experimentos, sabemos que existen seis “tipos» o “sabores» de quarks, también se agrupan en tres pares que se denominan: up (u)/down (d), charm (c)/strange (s), top (t)/bottom (b) (véase la figura 2). ¿No son particulares estos nombres? Realmente son partículas bastante únicas en su especie, poseen cargas eléctricas que son fraccionadas, y, por si fuera poco, también existen paralelamente aquellas oscuras partículas sombrías de nombre llamadas anti-quarks con cargas opuestas, con igual masa y el mismo tiempo de vida.

Además de la carga eléctrica, los quarks poseen un tipo de carga llamada “carga de color”, un nombre un poco tonto, según Richard Feynmann (R.Feynman, 2006, The strange theory of light and matter. Princeton: Princeton University Press, p.136), pues no tiene nada que ver con los colores del espectro visible, sólo es una etiqueta para distinguir eso que hace que una partícula participe de la fuerza nuclear fuerte, eso que le permite interactuar con otras mediante el intercambio de otras partículas que se llaman “gluones” (estas partículas son mediadoras de las interacciones y definitivamente merecen un artículo aparte). Mediante esta interacción, los quarks pueden formar partículas como el protón y el neutrón, que nos son muy familiares desde que comenzamos a aprender química en la escuela. Por ejemplo, se puede formar un protón de carga eléctrica  usando tres quarks: dos quarks up (uu) y un quark down (d), formando la estructura “uud”, donde la suma de las cargas es:  (ver figura 2) y dando lugar a la carga del protón. ¿Y qué pasa con su masa? La masa sumada de los quarks constituyentes hace sólo aproximadamente un 10% de la masa total del protón resultante, el resto de la masa es pura energía de interacción transformada en masa mediante la famosa relación de Einstein . Para el neutrón, los quarks forman la estructura “udd” con suma de cargas eléctricas:, dando lugar a este neutrón, la partícula neutra que todos recordamos. En esta relación estrecha, los quarks intercambian identidades entre sí mediante la fuerza nuclear débil y producen un famoso proceso de decaimiento nuclear del neutrón, conocido como “decaimiento beta”, que consiste en la conversión de un quark d (en el neutrón) en un quark u, para quedar convertido en un protón. Junto con este último, en el decaimiento beta se emiten un electrón (posiblemente conocido por todos) y un neutrino (otra de estas maravillosas partículas que requieren un artículo independiente), de manera que exista un balance adecuado de energía, como lo establece la ley universal de la conservación de la energía. Realmente, los quarks son las únicas partículas elementales capaces de sufrir la influencia de todas las fuerzas fundamentales que gobiernan al Universo.

Si tenemos en cuenta que en su mayoría, el Universo está compuesto por átomos de Hidrógeno cuyo núcleo es esencialmente un protón, podemos decir que los quarks yacen en lo más profundo de todos nosotros. Hacen parte de aquel sueño griego de Demócrito donde el mundo se compone de partículas indivisibles e invisibles, estos últimos son los quarks, no hay nada más en su interior, al menos hasta que se demuestre lo contrario, y por eso son la frontera subatómica de hoy en día.