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Carlos del porto Blanco

Los físicos teóricos propusieron, hace más de 60 años, la existencia de unas partículas sorprendentes, constituyentes del núcleo atómico. Los experimentos las confirmaron posteriormente. Los quarks o cuarks, tardaron 20 años en pasar de ser una idea increíble de los físicos teóricos de partículas a una realidad sorprendente. La idea tiene tres autores simultáneos: André Petermann la publicó en francés, condenándola a que nadie se enterase. Murray Gell-Mann obtuvo el Nobel en 1969, en parte por ella, pero su artículo original fue rechazado por la prestigiosa revista Physical Review Letters (PLR). A George Zweig, el director de teoría del CERN se le impidió incluso dar una charla sobre el tema. De esas partículas se hablará en la columna de hoy.

No tengo que tener una respuesta. No me siento aterrorizado por no conocer cosas, por estar perdido en el misterioso universo sin tener ningún propósito; que es el modo en el que la realidad es, hasta donde puedo decir, posiblemente. Esto no me aterra. Richard Feyman.

En el vasto y complejo mundo de la física, pocos conceptos son tan fascinantes como los quarks. Esas diminutas partículas subatómicas, invisibles incluso para los microscopios más avanzados, son los bloques esenciales que forman todo lo que se conoce, desde los átomos hasta las estrellas más lejanas. Aunque su nombre pueda sonar extraño o incluso sacado de una novela de ciencia ficción, los quarks son una realidad científica fundamental para entender cómo funciona el universo.

Imagine por un solo momento, que la realidad en la que vive se construye a partir de bloques minúsculos que parecen invisibles, partículas que no se pueden ver ni tocar pero que dan forma a absolutamente todas las cosas que le rodean. Cada uno de esos pequeños bloques, mucho más pequeños que los propios átomos, e incluso que los protones o electrones, se conocen como quarks, y son las entidades que crean la materia, mientras desafían las leyes clásicas adaptándose únicamente a las de la mecánica cuántica.

¿Qué son los quarks?

El descubrimiento de los quarks marcó a la historia en un momento en el que la física de partículas atravesaba una gran revolución conceptual. Los experimentos de alta energía eran cada vez más comunes y, en cada uno de ellos, se observaban cada vez más y más partículas que, hasta ese momento, se creían desconocidas. Fue en ese contexto en que Murray Gell-Mann y George Zweig trabajaron.

En física de partículas, los quarks son los fermiones masivos elementales que interactúan fuertemente formando la materia nuclear y ciertos tipos de partículas llamadas hadrones. Junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia bariónica. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones. Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Son partículas de espín 1/2, y son fermiones de Dirac por lo que sus correspondientes antipartículas existen.

Los quarks son partículas elementales, es decir, no están compuestas por otras partículas más pequeñas (al menos hasta donde se sabe hoy). Son una parte crucial del Modelo Estándar de la Física de Partículas, el marco teórico que describe las partículas fundamentales y las fuerzas que actúan entre ellas. Los quarks se combinan para formar partículas más grandes llamadas hadrones, como los protones y los neutrones, que a su vez constituyen los núcleos atómicos.

Se trató de una propuesta revolucionaria en la conceptualización de la materia. Gell-Mann y Zweig afirmaron que los quarks podían tener seis “sabores” diferentes – arriba (up), abajo (down), encanto (charm), extraño (strange), cima (top) y fondo (bottom) – y que, además, cada uno de ellos podía tener un color diferente. Por color, sin embargo, no se referían exactamente a un color visual, sino a una propiedad de la carga cromodinámica relacionada con las interacciones fuertes entre estas partículas.

La comunidad científica tardó en aceptar esa idea, pues era muy complicado asumir, casi de repente, que las partículas subatómicas convencionales no eran en realidad fundamentales, sino que estaban compuestas por unidades mucho más pequeñas. Resultó ciertamente desconcertante. Sin embargo, a medida que la evidencia experimental se iba haciendo más sólida, la teoría de los quarks acabó por aceptarse como un pilar elemental de la física de partículas.

Cada uno de los sabores tiene propiedades únicas, como su masa y carga eléctrica. Por ejemplo, los protones están formados por dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que los neutrones están compuestos por dos quarks down y un quark up. Esas combinaciones determinan las propiedades de la materia. Los quarks más pesados, como el top y el bottom, no son comunes en la materia ordinaria, pero son esenciales para entender las condiciones extremas del universo primitivo, como las que existían justo después del Big Bang. Los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN de Ginebra, Suiza, recrean esas condiciones para estudiar cómo se comportan los quarks en esos entornos. En el año 2003 se encontró evidencia experimental de una nueva asociación de cinco quarks, los pentaquark, cuya evidencia, en principio controvertida, fue demostrada en julio de 2015.

Los quarks son la conclusión de los intentos para encontrar los fundamentos de la construcción de la materia. Con el triunfo de la teoría atómica en el siglo XIX se concluía que los átomos eran los componentes últimos de la materia y de ahí su nombre por ser indivisibles. Con el modelo atómico de Rutherford se demostró que el átomo no era indivisible, constaba de un núcleo y de una nube electrónica. Se explicó posteriormente que el núcleo atómico estaba conformado de protones y neutrones. Con solo cinco partículas elementales, fuera de los protones, neutrones y electrones, en la década de 1930 comenzaron a aparecer los muones de alta radiación y algunos neutrinos de forma indirecta. La confirmación de más mesones y bariones, primero en experimentos con alta radiación y luego en aceleradores de partículas, dieron la impresión de que nos enfrentábamos a un zoológico de partículas y ese fue el impulso para buscar cada vez más partículas elementales.

Tipos de Quarks.

En 1967 se creía que solo existían los quark top, down y strange. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maianicon postularon la existencia del quark charm para impedir cambios no físicos de sabor en las desintegraciones débiles que podrían aparecer en el modelo estándar. El descubrimiento del mesón J/? en 1974 llevó al reconocimiento de que ese estaba hecho de un quark charm y su antiquark.

Luego, se planteó la hipótesis del quinto y sexto quark, llamados quark top y bottom. La existencia de una tercera generación de quarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1972; ellos se dieron cuenta de que una violación de la simetría por kaones neutros no podría acomodarse en el modelo estándar con las dos generaciones hasta ese momento existentes de quarks. El quark bottom fue descubierto en 1977 y el quark top en 1995.

Curiosamente, el nombre que se ha elegido para determinar los diferentes tipos de quarks son los “sabores”. Cada uno de ellos, presentaría un modelo de quark específico, con propiedades únicas. Así, los quarks de tipos up y de tipo down son los más cercanos a nosotros, pues son dos de los componentes fundamentales de la materia. Entre ellos se complementan de manera perfecta, formando los protones y los neutrones en los núcleos atómicos y, por lo tanto, creando los átomos.

Los quarks de tipo charm son los que tienen el sabor más intrigante, y es que son los responsables de la generación de partículas mucho más masivas. Por su parte, los quarks de tipo strange tienen una propiedad muy extraña, pues su presencia en las partículas subatómicas contribuye a que ellas se desintegren de una manera peculiar y distinta a aquellas partículas únicamente formadas por los quarks top y bottom

Finalmente, los quarks de tipo top y bottom forman parte de una generación mucho más pesada. Su presencia en la materia contribuye a la comprensión de fenómenos subatómicos mucho más complejos, como por ejemplo la creación de un tipo de partículas conocidas como mesones. Los quarks strange, charm, top y bottom son lo suficientemente masivos para decaer en otros cuarks mediando la interacción débil. Los quarks up y down son los más estables.

Un neutrón, compuesto por dos quark abajo (down) y un quark arriba (up)

Los hadrones de spin entero (bosón) se clasifican como los mesones y los de spin semientero (fermión) como bariones. Los mesones observados son consistentes con una composición de (una pareja quark-antiquark) y los bariones como la composición de tres quarks o antiquarks.

Si bien hablar del color de los quarks hace pensar en pequeñas partículas teñidas de un abanico de colores, no se trata de una característica relacionada con el color. De hecho, todo lo contrario: tiene un significado mucho más abstracto. En efecto, hace referencia a la cromodinámica cuántica, también conocida como QCD, una teoría que describe la forma en la que interactúan los quarks y los gluones, las partículas mediadoras de fuerza fuerte.

De hecho, los colores de los quarks pueden describirse como “rojo”, “verde” o “azul”, siendo cada uno una forma de describir los diferentes estados de carga cromodinámica que pueden poseer. Y es que, a diferencia de otras partículas como, por ejemplo, los electrones, que pueden existir tanto en unión con otras partículas como de forma individual, los quarks es imposible que se encuentren en estado libre: siempre estarán confinados dentro de partículas compuestas.

Ahora bien, existen determinados escenarios en los que sería posible encontrar, de forma muy momentánea a quarks libres. Son estados que se conocen como “de libertad asintótica” y se corresponden a las primeras etapas del Big Bang o a ciertos experimentos de colisionadores de partículas a alta energía. En esas condiciones, es posible que la fuerza fuerte que los mantiene unidos disminuya lo suficiente como para permitir que los quarks existan temporalmente como partículas libres, eso sí, antes de volver a formar nuevas partículas compuestas.

Un descubrimiento revolucionario.

A mediados de la década de 1960 había un cierto consenso en que el protón poseía un tamaño aproximado de 10–15 m con una distribución suave de carga en su interior. Los análisis de ciertas propiedades de reacciones de altas energías de hadrones llevaron a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones, a los que él llamó partones (porque eran parte de los hadrones).

La historia de los quarks comenzó en el 1964, cuando los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig, que trabajaban de manera independiente, intentaron explicar los patrones observados en las partículas subatómicas, especialmente en los hadrones. Gell-Mann acuñó el término «quark» inspirándose en una frase de la novela Finnegans Wake de James Joyce: «Three quarks for Muster Mark!». Gell-Mann dijo sobre eso que:

En 1963, cuando asigné el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones, yo tenía el primer sonido, sin ortografía, que podría haber sido kwork. Luego, en una lectura de Finnegans Wake, de James Joyce, me crucé con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark. Entonces quark (que significa, por un lado, el grito de la gaviota) fue el claro intento de rimar con Mark, como con bark y otras palabras parecidas. Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla, así como kwork. Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto suelen proceder de varias fuentes a la vez, como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass. De vez en cuando, las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar. Yo argumenté, por lo tanto, que uno de los múltiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podría ser Three quarts for Mister Mark, en ese caso la pronunciación de «kwork» podría justificarse totalmente. En cualquier caso, el número tres encajaba a la perfección en el modo en que los quarks aparecen en la naturaleza.

La frase «tres quarks» (three quarks en inglés) encajaba particularmente bien (como se menciona en la cita) ya que en ese tiempo solo había tres quarks conocidos y entonces los quarks estaban en grupos de tres en los bariones. En el libro de Joyce, se da a las aves marinas tres quarks, quark toma un significado como el grito de las gaviotas (probablemente onomatopeya, como cuac (o cuá) para los patos). La palabra es también un juego de palabras entre Munster y su capital provincial Cork.

Una serie de experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) entre 1967 y 1973 tuvieron como objetivo estudiar la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón. Esos experimentos fueron muy parecidos a los realizados por Ernest Rutherford decenios atrás para confirmar la existencia del núcleo atómico. El SLAC es un acelerador de partículas lineal donde partículas como los electrones pueden alcanzar energías de hasta 50 giga electrón volt, GeV, lo suficiente para que estos puedan traspasar nucleones.

El análisis teórico de las colisiones inelásticas que tuvieran lugar entre el electrón y el protón había sido trabajado por James Bjorken. Él consideró varias hipótesis para explicar la función de forma de la dispersión. De todas ellas, la más especulativa era considerar al protón compuesto por partículas puntuales cargadas y con espín ½ Al analizar los datos para diferentes cantidades de momento transferidos al protón, se comprobó que el ajuste de Bjorken con tal hipótesis era el adecuado. Se habían descubierto los quarks de manera experimental lo que permitió obtener el premio Nobel de Física de 1990 a Jerome I. Friedman, Henry Way Kendall, Richard E. Taylor, líderes de los experimentos en el SLAC.

Más adelante, otros experimentos de colisiones inelásticas con neutrinos hechas en el CERN sirvieron para confirmar los resultados del SLAC. Se confirmó que los partones de Feynmann y los quarks eran exactamente la misma cosa. Con la prueba de la libertad asintótica en la cromodinámica cuántica que realizaron en 1973 David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, la conexión se hizo estable. A esos científicos se les concedió el premio Nobel de Física en el 2004 por ese trabajo.

Propiedades únicas de los quarks.

Una característica sorprendente de los quarks es que nunca se encuentran solos en la naturaleza. Siempre están unidos en grupos, por una fuerza increíblemente poderosa llamada Fuerza Nuclear Fuerte, que es mediada por partículas llamadas gluones, ya sea en tríos (como en los protones y neutrones) o en pares de quark y antiquark (conocidos como mesones). Eso se debe a una propiedad llamada confinamiento: la Fuerza Nuclear Fuerte, se vuelve más intensa cuanto más se intenta separarlos, la energía que se aplica se convierte en nuevos pares de quarks y antiquarks. Es como si estuvieran conectados por un elástico invisible.

Otra propiedad interesante es su carga eléctrica fraccionaria. A diferencia de las partículas familiares, como los electrones, que tienen cargas enteras (-1, 0, +1), los quarks tienen cargas fraccionarias. Por ejemplo, el quark arriba tiene una carga de +2/3, mientras que el quark abajo tiene una carga de -1/3. Esa peculiaridad explica por qué los protones tienen una carga positiva (+1) y los neutrones son neutros.

El futuro de los quarks.

A pesar de los avances, todavía hay mucho que se desconoce sobre los quarks y el universo en general. Los científicos siguen investigando cómo se forman las partículas a partir de quarks y gluones, y cómo la Fuerza Fuerte funciona en detalle. Además, los quarks podrían ser claves para entender fenómenos como la materia oscura y la asimetría entre materia y antimateria en el universo. Por ejemplo, ¿por qué existen exactamente seis tipos de quarks? ¿Podría haber otros quarks aún no descubiertos? Y, quizás lo más intrigante, ¿qué papel juegan los quarks en fenómenos como la materia oscura, que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo?

Mientras los científicos continúan explorando esas preguntas, los quarks siguen siendo un recordatorio de lo asombroso y misterioso que es nuestro universo. Aunque no se puedan ver a simple vista, su influencia está presente en cada rincón del cosmos, desde el núcleo de un átomo hasta las galaxias más lejanas.

En resumen, los quarks son mucho más que simples partículas subatómicas. Son una ventana hacia los secretos más profundos del universo, y su estudio nos acerca un paso más a comprender nuestra propia existencia. La próxima vez que mire al cielo nocturno, recuerde: todo lo que ve, desde las estrellas hasta su propio cuerpo, está hecho de esas diminutas piezas fundamentales llamadas quarks.

Referencias.

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