Quarks y Física Cuántica

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas.  Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

Desde que Max Planck sembrara aquella primera semilla, la teoría cuántica ha avanzado hasta cotas de icreíble perfección en simetría y resultados, procurando al hombre/mujer una máquina muy valiosa para el conocimiento de la Naturaleza del Universo y la materia que lo puebla.

La palabra quark se supone que debe pronunciarse como quart (“cuarto”), pero con una k al final en vez de una t, pero normalmente se pronuncia de manera que rima con lark (“juerga”).

Existen un cierto número de quarks:

• Up (arriba),
• Down (abajo),
• Strange (extraño),
• Charmed (encantado),
• Bottom (fondo) y
• Top (cima).

Los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no paseen ningún color en el sentido normal de la palabra. Así, los colores que le asignan los físicos están referidos a cuestiones imaginativas para nombrar a las nuevas partículas a las que asignar colores entre el rojo, verde y azul.

Ahora sabemos que un protón y un neutrón están constituidos por quarks, uno de cada color. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks (strange, charmed, bottom y top), pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los protones y neutrones, dentro de ellos, son indivisibles. La cuestión que se nos plantea es: ¿cuáles son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con los que están hechas todas las cosas, desde una gota de rocío, a una rosa, pasando por nosotros mismos o una inmensa galaxia?

Pero eso sí, tengo muy clara una cuestión:

Después de lo anteriormente explicado está claro que tenemos que dominar lo muy pequeño para poder dominar lo muy grande.

El dominio (relativo) del universo atómico, como hemos visto antes, nos ha reportado grandes beneficios. Sin embargo, nos queda aún mucho camino por recorrer.

Conocemos de otras muchas funciones que en la materia y las partículas que las confroman están presentes, sin embargo, no sabemos que puede haber más alla de los Quarks, esas distancias a las que podrían encontrarse esos otros objetos (si en realidad existen, como por ejemplo las cuerdas), no están a nuestro alcance, no podemos disponer de la Energía de Planck, 10¹⁹ GeV para llegar hasta ellas. Poe ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 kg y las mayores energía alcanzables en nuestros aceleradores actuasles son del orden de 10³ GeV (aunque ahora con el LHC tenemos hasta 14 TeV), pero los efectos de la gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas. Sin embargo, en el Universo primitivo las partículas tenían energías del orden de la masa de Planck, 10^-8 kg que es la equivalente en energía a los 10¹⁹ GeV que serían necesarios para sondear, no ya a los Quarks sino también a las cuerdas.

El Modelo Estándar de la física nos explica (con sus defectos) las partículas elementales que conforman la materia: quarks, hadrones, leptones, etc.  También nos explica las fuerzas que interaccionan con estas partículas: la nuclear fuerte y la débil, el electromagnetismo y la gravedad. Veamos alguna característica y para qué sirven dichas fuerzas, así como su alcance y potencia.

                                                                                   Muchos son los miterios que nos quedan por resolver.

El Universo se rige por estas cuatros fuerzas fundamentales (al menos que sepamos, de momento no se sabe de la existencia de alguna otra, aunque a veces sospecho que la Gravedad, no está totalmente entendida y, podría, tener alguna otra ramificación desconocida que oculta su caracter “repulsivo”, es decir, que podría ser, como el electromagnetismo tanto atractiva como respulsiva en circunstancias dadas, y, precisamente ahí podría radicar el misterio del alejamiento de las galaxias que endosamos a la materia oscura. Bueno, es sólo una idea.

Fuerza nuclear fuerte

Su alcance en metros: < 3 × 10^-15, se dice que la propiedad de los quarks conocida como libertad asintótica hace que la interacción entre ellos sea débil cuanto más cerca están los unos de los otros, están confinados con los gluones en un radio o región de:  r » hc/L » 10^{-13 cm.}

Al contrario de las otras fuerzas, esta crece con la distancia. Tiene una fuerza relativa de 10⁴¹. Es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.

La partícula portadora de la fuerza es el gluón (glue en inglés, es pegamento) que en número de ocho, actúa como un espeso pegamento en forma de muelle que, cuanto más se estira más fuerza genera.

La interacción nuclear fuerte es la mayor, la de más potencia de las cuatro fuerzas fundamentales, es 10² veces mayor que la fuerza electromagnética, aparece sólo entre los hadrones (protones, neutrones, etc). Como dijimos al principio, actúa a tan corta distancia como 10^-15 metros, mediado por los mesones virtuales que llamamos Gluones.

            Fuerza nuclear débil

La fuerza nuclear débil (o interacción débil) permite que los neutrones se conviertan en protones emitiendo radiación durante el proceso, esto lo hace por medio de la desintegración beta  con los con los bosones W,  ademas también emite un electrón y un electrón anti-neutrino. La razón por la cual un neutrón se convierte en proton, es por que en su composición normal esta conformado por dos quarks down y un quark up, el neutrón se convierte, cuando un quark down cambia su “sabor” a up.

Su alcance es de < 10^-15 metros, su fuerza relativa de 10²⁸, intervienen en la radiación radiactiva, ocurre entre leptones (electrones, muones, tau y los correspondientes neutrinos asociados) y en la desintegración de los hadrones, la desintegración beta de las partículas y núcleos. Está mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios: en este caso, las partículas W⁺, W^– y  Z⁰. Esta interacción se describe por la teoría electrodébil que la unifica con las interacciones electromagnéticas.

En este proceso llamado desintegración beta y debido a la interacción débil, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un (anti)neutrino electrónico cuando uno de los quarks del neutrón emite una partícula W–. Aquí queda claro que el término “interacción” es más general que “fuerza”; esta interacción que hace cambiar la identidad de las partículas no podría llamarse fuerza.

Las interacciones electromagnéticas

Tiene un alcance infinito, su fuerza relativa es de 10³⁹, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Unen los átomos para formar moléculas, propaga la luz, las ondas de radio y otras formas de energías.

Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario de las interacciones gravitacionales, puede ser tanto atractiva como repulsiva.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales.

Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dada por las ecuaciones de Maxwell.

La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas, se describen con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

La interacción gravitacional

La interacción gravitacional, conocida como la fuerza de gravedad, es unas 10⁴⁰ veces más débil que la interacción electromagnética; es la más débil de todas las fuerzas de la naturaleza.  Su alcance, como el de la fuerza electromagnética, es infinito, y su fuerza relativa es de 1. Su función es actuar entre los cuerpos masivos sobre los que ejerce una fuerza atractiva en función de sus masas y de las distancias que los separa, mantienen unidos los planetas alrededor del Sol, las estrellas en las galaxias y nuestros pies pegados a la superficie de la Tierra.

La interacción puede ser comprendida utilizando un campo clásico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre los cuerpos interaccionantes (Ley de Newton).

El hipotético cuanto de gravitación, el bosón denominado gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, la fuerza gravitacional es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener el equilibrio entre los componentes del universo.

Sin la fuerza de gravedad, el universo sería un completo caos, todos los planetas, estrellas y demás objetos cosmológicos estarían vagando sin rumbo por el vacío estelar y las colisiones serían lo cotidiano.

Debido a que las interacciones gravitacionales son de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la relatividad general de Einstein.

Por el momento no hay teoría cuántica de la gravedad que sea satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas, en su versión más avanzada conocida como teoría M de Edward Witten, nos pueda dar una teoría cuántica de la gravedad que sea consistente y nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas.

emilio silvera

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