Los Quarks

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Los QuarksMurray Gell-Mann, descubridor junto con George Zweig de los quarks, partículas constituyentes de las partículas elementales llamadas hadrones, estudia en esta obra las interconexiones entre las leyes fundamentales de la física y la gran diversidad y complejidad del mundo natural. El fragmento que se reproduce a continuación se ha extraído de un capítulo dedicado al modelo estándar, una teoría física sobre las partículas elemetales.Fragmento de El quark y el jaguar.De Murray Gell-Mann.QuarksDurante mucho tiempo se pensó que los compañeros del electrón en la lista de fermiones fundamentales serían únicamente el protón y el neutrón, los constituyentes del núcleo atómico. Pero esto resultó ser falso: el neutrón y el protón no son elementales. También en otras ocasiones los físicos han descubierto que objetos que originalmente se creían fundamentales estaban compuestos de partes más simples. Las moléculas están formadas por átomos. Los átomos, pese a que su nombre procede de la palabra griega que significa «indivisible», están formados por un núcleo con electrones en torno a él. Los núcleos están compuestos a su vez por protones y neutrones, como se comenzó a vislumbrar en 1932 con el descubrimiento del neutrón. Ahora sabemos que protones y neutrones son también entidades compuestas: están formados por quarks. Los teóricos están ahora seguros de que los quarks son los análogos de los electrones. (Si los quarks resultan estar compuestos por entidades menores, cosa que hoy parece poco probable, entonces el electrón también tendría que estarlo.)En 1963, cuando bauticé con el nombre de «quark» a los constituyentes elementales de los nucleones, partí de un sonido que no se escribía de esa forma, algo parecido a «cuorc». Entonces, en una de mis lecturas ocasionales de Finnegans Wake, de James Joyce, descubrí la palabra «quark» en la frase «Tres quarks para Muster Mark». Dado que «quark» (que se aplica más que nada al grito de una gaviota) estaba para rimar con «Mark», tenía que buscar alguna excusa para pronunciarlo como «cuorc». Pero el libro narra los sueños de un tabernero llamado Humphrey Chipmden Earwicker. Las palabras del texto suelen proceder simultáneamente de varias fuentes, como las «palabras híbridas» en A través del espejo, de Lewis Carroll. De vez en cuando aparecen frases parcialmente determinadas por la jerga de los bares. Razoné, por tanto que tal vez una de las fuentes de la expresión «Tres quarks para Muster Mark» podría ser «Tres cuartos para Mister Mark» (cuarto en inglés es quart) en cuyo caso la pronunciación «cuorc» no estaría totalmente injustificada. En cualquier caso, el número tres encajaba perfectamente con el número de quarks presentes en la naturaleza.La receta para elaborar un neutrón o un protón a partir de quarks es, más o menos, «mezclar tres quarks». El protón está compuesto de dos quarks u [de up, «arriba»] y un quark d [de down, «abajo»], mientras que el neutrón lo componen dos quarks d y un quark u. Los quarks u y d poseen diferente carga eléctrica. En las mismas unidades en que el electrón tiene carga –1, el protón tiene carga +1 y el neutrón carga nula. En estas mismas unidades, el quark u tiene carga 2/3 y el quark d –1/3. Si sumamos 2/3, 2/3 y –1/3, obtenemos la carga del protón, +1; y si sumamos –1/3, 1/3 y 2/3, obtenemos 0, la carga del neutrón.Se dice que u y d son diferentes «sabores» de quark. Además del sabor, los quarks tienen otra propiedad aún más importante llamada «color», aunque no tiene que ver con los colores reales más que el sabor en este contexto con el sabor de un helado. Aunque el término «color» es más que nada un nombre gracioso, sirve también como metáfora. Hay tres colores, denominados rojo, verde y azul a semejanza de los tres colores básicos en una teoría simple de la visión humana del color (en el caso de la pintura, los tres colores primarios suelen ser el rojo, el amarillo y el azul, pero para mezclar luces en vez de pigmentos, el amarillo se sustituye por el verde). La receta para un neutrón o un protón consiste en tomar un quark de cada color, es decir, uno rojo, uno verde y uno azul, de modo que la suma de colores se anule. Como en la visión el color blanco se puede considerar una mezcla de rojo, verde y azul, podemos decir metafóricamente que el neutrón y el protón son blancos.Quarks confinadosLos quarks poseen la notable propiedad de estar permanentemente atrapados dentro de partículas «blancas» como el protón y el neutrón. Sólo las partículas blancas son directamente observables en el laboratorio. En éstas el color se promedia y cancela, y sólo en su interior pueden existir objetos coloreados. De la misma forma, la carga eléctrica de un objeto observable es siempre un número entero (como 0, 1, –1 o 2), y las partículas con carga fraccionaria sólo pueden existir en su interior.Cuando propuse la existencia de los quarks, creía desde el principio que estarían permanentemente confinados de alguna manera. Me refería a ellos como entes «matemáticos», explicando cuidadosamente qué quería decir con eso y contrastándolo con lo que yo llamaba «quarks reales», susceptibles de emerger y ser detectados como entidades singulares. La razón para esta elección de lenguaje era que no tenía ganas de entablar discusiones con críticos de inclinación filosófica que me exigiesen explicar cómo podía calificar de «reales» a los quarks si siempre estaban ocultos. La terminología se demostró, no obstante, desafortunada. Muchos autores, ignorando mi explicación de los términos «matemático» y «real», así como el hecho de que la situación que yo describía es la que actualmente se considera correcta, han afirmado que yo en realidad no creía en la presencia física de los quarks. Una vez que un malentendido como éste queda establecido en la literatura popular tiende a perpetuarse, porque los escritores muchas veces se limitan a copiarse entre sí.Gluones coloreadosPara que los quarks permanezcan confinados, deben existir fuerzas entre ellos muy diferentes de las electromagnéticas u otras fuerzas familiares. ¿De dónde surge esta diferencia?Así como la fuerza electromagnética entre electrones está mediatizada por el intercambio virtual de fotones, los quarks están ligados entre sí por una fuerza que surge del intercambio de otros cuantos: los gluones (del inglés glue, pegar), llamados así porque hacen que los quarks se peguen formando objetos observables blancos como el protón y el neutrón. Los gluones son indiferentes al sabor —podríamos decir que no tienen sentido del gusto—. En cambio, son muy sensibles al color. De hecho, el color juega el mismo papel para ellos que la carga eléctrica para los fotones: los gluones interaccionan con el color de modo muy parecido a como el fotón interacciona con la carga eléctrica.La triple naturaleza del color requiere de los gluones una propiedad que no comparten con el fotón: existen diferentes gluones para las diferentes interacciones de color.Fuente: Gell-Mann, Murray. El quark y el jaguar. Traducción de Ambrosio García y Romualdo Pastor. Barcelona: Tusquets Editores, 1995.

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