Esas maravillosas partículas – 4/22 – Los quarks

En entradas anteriores de Esas maravillosas partículas hemos hablado del electrón, el positrón y el protón. Como recordarás, hablando del último mencionamos que no era una partícula elemental: está compuesto de partículas más sencillas, denominadas quarks. En esta entrada hablaremos de estos misteriosos y escurridizos quarks.

Hacia 1960, varios científicos se estaban ya planteando que ciertas partículas consideradas, hasta entonces, elementales, estaban compuestas de otras más sencillas: Murray Gell-Mann, Kazuhiko Nishijima y Richard Feynman, independientemente, habían descubierto simetrías y observado propiedades de la radiación emitida en la desintegración de hadrones que les sugerían la existencia de una subestructura de éstos.

Murray Gell-Mann denominó a estas supuestas partículas quarks, puede que por aparecer en la novela Finnegans Wake, de James Joyce, en la que tres pájaros lanzan tres gritos (Joyce, al que le encantaban los juegos de palabras, llama a los gritos de los pájaros “quarks” como onomatopeya): Three quarks for Muster Mark! Puesto que en ese momento se conocían tres quarks, y eran cosas “sin sentido”, el nombre acabó calando. Hoy en día conocemos más quarks, pero el nombre se ha mantenido.

Feynman, por su parte, llamó a las supuestas subpartículas partones, por ser “parte de los hadrones”. Finalmente se descubrió que tanto quarks como partones eran lo mismo, y el nombre definitivo fue quarks.

Es interesante notar que, por lo que sabemos, no pueden existir quarks libres. Al menos, no durante mucho tiempo (“mucho tiempo” en física de partículas = muchísimo menos de un segundo). Es decir, siempre están asociados formando otras partículas, como los protones o los mesones, y “pegados” unos a otros mediante otras partículas, de las que hablaremos en otra entrada de la serie, llamadas gluones.

¿Cómo sabemos entonces que existen, si nunca hemos visto uno?. La verdad, seguro, seguro, no lo sabemos. Sin embargo, el modelo de quarks (que describiremos en un momento) no sólo explica muy bien el comportamiento y propiedades de las partículas que se conocían en el momento de proponerlo Gell-Mann y Nijishima - las predicciones del modelo, por ejemplo, de partículas desconocidas en el momento formadas por determinadas combinaciones de quarks, se han ido cumpliendo. De manera que, a pesar de ser partículas inferidas, no observadas directamente, explican lo que conocemos y predicen cosas que no conocíamos, de modo que el modelo está generalmente aceptado.

Además, aunque no hemos visto ninguno directamente, hemos detectado sus “restos”; me explico. Uno de los quarks que describiremos en un momento, el quark “top”, tiene una vida media antes de desintegrarse en otras partículas de unos 10 a la -25 segundos. No sé si te haces una idea de lo minúsculo que es este tiempo: la luz no llegaría a cruzar el núcleo de un átomo en ese tiempo. Pero los científicos han conseguido, haciendo colisionar partículas a grandes energías, producir quarks “top” y luego detectar las partículas en las que éstos se desintegran, de modo que es bastante seguro que el quark estuvo allí.

Los quarks son parte del Modelo Estándar de partículas elementales, aunque hay extensiones del modelo que piensan que…¡están compuestos de partículas más pequeñas! Pero, por ahora, centrémonos en la teoría más ampliamente aceptada, que dice que son partículas fundamentales.

Existen seis quarks diferentes, a los que se han dado nombres arbitrarios: up, down, strange, charm, top y bottom, y por supuesto, sus seis antipartículas (una por cada quark, antiup, antidown…). Tres de ellos (up, charm y top) tienen carga +2/3, y los otros tres (down, strange y bottom) tienen carga -1/3. De este modo, si se tienen, por ejemplo, dos quarks up y uno down, la carga de la partícula resultante será 1, y si se tienen un up, un strange y un bottom, la carga resultante será nula, etc.

Sin embargo, todos los quarks tienen espín 1/2, es decir (si recuerdas la entrada del electrón), son fermiones. Dicho de otra manera, son partículas “individualistas” que no pueden estar en un mismo estado cuántico. Sin embargo, hay partículas compuestas, como el protón, que tienen dos quarks up con la misma carga y el mismo espín…todo es igual, lo cual es imposible.

Los físicos dedujeron de esto que existe otro número cuántico más, es decir, otra propiedad de las partículas, que puede tener tres valores. Llamaron a esta nueva propiedad color, y a los tres posibles valores rojo, verde y azul (porque sí…recuerda la arbitrariedad de la carga, esto es lo mismo). De ese modo, un protón puede tener dos quarks up, pero de diferentes “colores”. Por cierto, esto de los colores (que, desde luego, no tiene nada que ver con los colores de verdad) es lo que da parte de su nombre a la cromodinámica cuántica. El “color” es además el que hace que los gluones tengan a los quarks, dentro de un protón o un neutrón, unidos unos a otros.

Si recuerdas el artículo del electrón, esa partícula era un leptón - no está compuesta por quarks y, por lo tanto, no tiene color. De modo que los electrones no son afectados por los gluones y no sienten la fuerza nuclear que une a protones y neutrones en el núcleo.

De manera que: los quarks son fermiones que siempre se encuentran asociados, no pueden estar solos. Como ya dijimos al hablar del protón, todas las partículas formadas por quarks se denominan hadrones. Existen dos maneras conocidas de combinar quarks, es decir, dos tipos de hadrones: o se tienen dos juntos, o se tienen tres juntos.

Como el espín de los quarks es siempre 1/2 (dirigido hacia “arriba” o hacia “abajo”, o +1/2 y -1/2), entonces puedes entender que cualquier partícula con tres quarks va a ser un fermión, porque sumando y restando 1/2 tres veces puedes tener -3/2, -1/2, 1/2 o 3/2, pero nunca un número entero. Estas partículas formadas por tres quarks, que siempre van a ser fermiones, se denominan bariones. ¿Recuerdas al protón y sus tres quarks?

Por otro lado, cualquier partícula formada por dos quarks va a tener un espín de -1, 0 o 1 (pues sumando o restando 1/2 dos veces, nunca puedes tener una fracción), es decir, va a ser un bosón. Estas partículas formadas por dos quarks, siempre bosones, se denominan mesones. Puesto que los quarks “sienten” todas las fuerzas fundamentales, los hadrones también las sienten, aunque algunos de ellos (como el neutrón) pueden tener una combinación de quarks tal que no se vean afectados, de manera neta, por alguna de ellas.

De modo que los hadrones (es decir, las partículas compuestas por quarks) pueden ser bariones (formadas por tres quarks y por lo tanto fermiones, como los protones y los neutrones) o mesones (formados por dos quarks y por lo tanto bosones). Y podemos “ver” todas estas partículas, pero no los quarks de los que están compuestas, al menos por ahora.

Ya que hemos hablado de los quarks, seguiremos la serie con otra partícula compuesta por ellos (otro hadrón): el neutrón. De vuelta a partículas más “de andar por casa” después de este paréntesis “quarkiano”.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com/