Algo sobre Quarks (Particulas)

La física de las partículas elementales juega un rol casi preeminente en la consecución de conocer la historia del universo primitivo, porque su temperatura era tan alta que la materia estaba disociada en sus componentes más fundamentales. Por esta razón, la física de altas energías se ha transformado, desde los años 70', en uno de los instrumentos más usados en cosmología. Para entender cuales pudieron haber sido los primeros períodos del universo es necesario estudiar, aunque sea someramente, las características de las partículas que constituyen la materia y sus interacciones fundamentales. Entre ellas es esencial conocer los procesos de aniquilación y de materialización de partículas.

Los descubrimientos en este campo se han realizado este siglo en los aceleradores de partículas, donde se hacen chocar y se estudian los resultados. Sucintamente trataremos de puntualizar lo que nos parece más relevante del tema para los objetivos que nos hemos prefijado al escribir este libro virtual "A Horcajadas en un Fotón".

Pero antes de zambullirnos en el mundo de las partículas, recordemos algunas precisiones sobre el átomo. Éste consiste en una especie de nube de electrones que rodea a una muy pequeñita esfera casi quieta y de muy alta densidad que llamamos núcleo. Sabemos además, que este núcleo atómico se compone de protones y neutrones, los que a su vez están compuestos de quarks, las partículas más pequeñas del universo. Al electrón lo conocemos hace algo más de cien años, y después de estudiarlo minuciosamente los físicos estamos convencidos de que es una partícula indivisible. Todo esto que llamamos átomo se arma, entonces, a partir de electrones y quarks que se adhieren al núcleo a través de una especie de pegamento que en castellano deberían llamarse "gomones" pero popularmente son más conocidos por su nombre en inglés como "gluons", y quienes unen núcleos y electrones son los quizás más familiares fotones.

Aunque aquí no hablaremos con más detalle sobre la estructura del átomo propiamente tal, si nos queda por consignar un detalle sobre las propiedades que éste comporta. En efecto, no podríamos entender la inmensa variedad de cosas que somos capaces de percibir si ignoramos absolutamente el interior del átomo. El átomo, como la célula y la familia son "unidades compuestas", útiles conceptualmente para describir algunas propiedades de la materia, los organismos vivos y la sociedad, pero ineficaces para entender una multitud de fenómenos que sólo se explican teniendo presente su constitución interna.

Después del breve recordatorio sobre la estructura del átomo, ahora vayamos al asunto que necesitamos tratar aquí, que son las partículas. En la actualidad, contamos con un conocimiento relativamente acabado de que la materia del universo está constituida por dos grandes familias de partículas: los hadrones y los leptones.

Los hadrones participan en las cuatro interacciones fundamentales posibles entre partículas y son los únicos que presentan las llamadas interacciones fuertes. Los hadrones son partículas compuestas, fabricadas en base a seis entidades básicas, que se conocen como quarks y que se diferencian por el "sabor" (up, down, strange, charmed, bottom y top) . Hay dos familias de hadrones: los bariones y los mesones. Los mesones son partículas más ligeras que los primeros y son todos inestables. Por su parte, los bariones conforman dos clases: los nucleones (protones y neutrones) y los hiperones, inestables y más pesados que los primeros. La teoría que describe y estudia los quarks y sus interacciones se llama cromodinámica cuántica, por una de las propiedades de esas partículas, conocida, por analogía, como "color" (de los cuales hay tres: rojo, azul y verde). Cada quark puede tener alguno de los tres "colores". Los hadrones se obtienen como combinación de estas partículas y sus antipartículas. Los bariones contienen tres quarks y los antibariones, tres antiquarks. Por su parte, los mesones están formados por una pareja quark?antiquark.

No es extraño que aparezca como ridículo pretender que cosas tan pequeñas como los quarks sean coloreadas; sin embargo, los colores que se les ha asignado tienen un dejo de significado nominal. Estas partículas no pueden combinarse de cualquier manera. Una de las reglas que hay que seguir para armar cosas grandes está expresada en este lenguaje de colores. Se trata que al mezclarlos resulte un objeto blanco o sin color. Por ejemplo, el protón está hecho de tres quarks: uno rojo, uno verde, y uno azul, cuya combinación produce el blanco. ( Se comprueba girando rápidamente un objeto que contenga los tres colores).

Los quarks fueron introducidos en el mundo de las partículas por Murria Gell-Mann, Premio Nobel 1969. Su propugnación se debe a la sensación que existía por los años 60' de la existencia de centenares de partículas aparentemente elementales, pero que se sospechaban divisibles, aunque sin saber cómo lo serían. Gell-Mann propuso en 1963, que protones, neutrones y una cantidad de partículas similares (los hadrones) estaban compuestos por dos o tres constituyentes hasta entonces desconocidos a los llamó "quarks"