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.

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? Ahora, se va creyendo de manera firme en el hecho de que los Quarks, quizá tampoco sean partículas elementales.

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. O, dicho de otra manera, tendremos que comprender y saber sobre lo muy pequeño para saber y comprender lo muy grande, ya que, como tantas veces he dicho aquí, todo lo grande está hecho de partículas infinitesimales. Es decir, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. La representación del átomo en la imagen de abajo están formados por infinitesimales partículas del mundo cuántico. En el núcleo están los protones y neutrones que, a su vez, están hechos de Quarks y que, rodeados de electrones consiguen el equilibrio entre las cargas positivas de los protones y las negativas de los electrones.

El dominio (relativo) del universo atómico, nos ha reportado grandes beneficios. Sin embargo, nos queda aún mucho camino por recorrer. Tenemos que saber y sabremos pero, para que eso sea cierto, tendrá que pasar mucho, mucho tiempo. Ayer mismo se dejaba aquí un trabajo en el se explicaba que el Modelo Estándar de la física (con sus defectos) detallaba como funcionan 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.

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 y mantienen confinados a los Quarks.

Fuerza nuclear débil

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.

Las interacciones electromagnéticas

El electromagnetismo, como la Gravedad, 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.

Estas dos galaxias, como pasará un día del futuro con Andréomeda y La Vía Láctea, están siendo unidas por la Fuerza de la Gravedad que, a niveles cosmológicos, es una fuerza terrorífica que puede comprimir estrellas hasta extremos de…singularidades en los agujeros negros.

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.

Estas cuatro fuerzas fundamentales que acabo de describir para todos ustedes son las fuerzas que rigen en nuestro universo. Son las fuerzas que interaccionan con toda la materia y el comportamiento de ésta viene dado por dichas interacciones. El universo es como es porque las fuerzas son las que son; si alguna de estas fuerzas fueran mínimamente distintas, si la carga o la masa del electrón variaran sólo una millonésima, el universo sería otro muy distinto y, seguramente, nosotros no estaríamos aquí para contarlo.

Todo el conjunto está sometido a un equilibrio que, entre otras cuestiones, hizo posible la existencia de vida inteligente en nuestro universo, al menos, que sepamos, en un planeta insignificante de un sistema solar insignificante situado en la periferia de una de los cientos de miles de millones de galaxias que pueblan el universo. Estadísticamente hablando, sería casi imposible que no existieran otros muchos planetas, en otros sistemas solares, ocupados por seres inteligentes similares o distintos a nosotros. El problema está en que podamos coincidir en el tiempo y en que podamos, de alguna manera, vencer las distancias que nos separan.

emilio silvera

En el Blog Taringa, me encuentro este trabajo que tenía olvidado.

Como no sabemos a ciencia cierta, la verdadera naturaleza de muchas de las cosas que creemos conocer, se podría dar el caso de que, en el centro del núcleo atómico y dentro de un protón y un neutrón, dos Quarks, estuvieran entablando la conversación siguiente:

Oye, amigo up, ¿no te cansas de estar aquí confinado? ¿no te gustaría conocer qué mundo puede haber fuera de éste nuestro tan reducido en el que vivimos?

Pues, si te digo la verdad, estimado down, si que estoy un poco frustrado de que, los persistentes Gluones, no me dejen alejarme mucho de la demarcación estipulada por la libertad sintótica. Y, si te he de ser sincero, preferiría mirar el mundo que, según indicios que me han llegado, es mucho mayor de lo que nosotros podemos contemplar.

Llevas toda la razón, a veces me desespera este mar de gluones que nos agarra impidiéndonos salir al exterior misterioso. ¿Qué cosas podríamos contemplar ahí fuera?

¡Os queréis callar! (Dijo un protón) Con vuestra charla me estáis distrayendo y no puedo solucionar el problema que me he planteado de sí, en realidad, uno de ustedes puede ser más masivo que yo. Teniendo en cuenta que estoy conformado de tres de ustedes, ¿cómo es posible que uno sólo pueda ser más masivo si estuviera en estado libre?

Que pregunta más tonta, amigo protón, a estas alturas deberías saber que, nadie sabe cuál es la masa de los quarks, ya que ningún quark puede ser observado de forma libre. Solo conocemos de forma precisa la masa del quark top (cima), ya que su gran masa hace que el error relativo en la medida permita un error absoluto pequeño. Sin embargo, muchos proclaman el descubrimiento de fórmulas matemáticas que permiten calcular la masa de todas (o casi todas) las partículas elementales (leptones y quarks). Pero, centrándonos en la pregunta que te atormenta, sí te puedo decir que, al menos en teoría, la masa del Quarks es mayor que la del Protón, toda vez que la energía potencial que se le atribuye si estuviera en estado libre, sería mayor que la tuya.

Sí, eso me temía. Hemos podido constatar que, ahí fuera, hay seres que se interesan por nosotros y últimamente, nos meten en máquinas enormes para hacernos chocar los unos contra los otros buscando qué puede haber dentro de nosotros. ¿Por qué lo harán? ¿Qué pueden conseguir con destruirnos?

Nuestra familia que está compuesta por tres generaciones, sabe que, esos extraños seres han llegado a conseguir, en sus estudios sobre nosotros que, los quarks, somos partículas elementales y que os formamos a vosotros los protones y neutrones, hasta ahora habíamos sido notablemente difíciles de detectar, y aún más de pesar. Un grupo de investigación ha calculado, con un pequeño margen de error, la masa (expresada en su valor energético) de tres de nosotros, los quarks más ligeros, y por tanto más escurridizos: Up, Down y Strange.

Según parece, el resultado obtenido por estos experimentos, es que, el quark up pesa aproximadamente 2 Megaelectronvoltios (MeV), el quark down pesa alrededor de 4,8 MeV, y el quark strange pesa cerca de 92 MeV.

Bueno, lo cierto es que, junto con los que ellos llaman electrones conformamos toda la materia conocida (según les he podido oír comentar) y, al parecer, carecen de las herramientas necesarias que les permita llegar más lejos de nosotros, y, por tal motivo, desconocen a las pequeñas briznas luminosas de las que, nosotros losquarks, estamos hechos, no tienen, en sus máquinas, la energía necesaria para llegar hasta ellas. Así que, están dando palos de ciego y teorizando no sin desbarrar en más de una ocasión pero, son tan persistentes que, terminarán conociendo la verdadera estructura del átomo y, en definitiva de la materia. ¡Qué gente tan extraña! Parece como si sólo supieran hacer preguntas.

Sí, eso parecen esos extraños seres que llaman humanos, ellos nos estudian a nosotros y no son conscientes de que nosotros, de la misma manera, podemos estudiarlos a través de las ondas electromagnéticas que emiten sus cerebros pensantes que4, están determinados a llegar hasta el fondo de los Quarks. Bueno, también de los protones y Neutrones lo quieren saber todo y, de hecho, han llegado a saber muchas de sus peculiaridades y de los parámetros que los conforman, los llaman bariones y lo clasifican en la familia de los hadrones, y, al mismo tiempo, dicen que son fermiones con unas características determinadas distintas a la de los mesones, y, además, como forman parte del núcleo del átomo, lo llaman también nucleones.

Sí, pero estos bariones, en realidad están supeditados a nosotros los Quarks. Según nos combinamos será un protón o un neutrón. Existe otra diferencia entre elprotón y el neutrón: dependiendo de qué combinación de quarks forma un hadrón, éste puede ser más o menos estable. Por ejemplo, ya dijimos que un protón libre podría no ser estable, pero de ser inestable su vida media probablemente es mucho mayor que la edad actual del Universo.

Sin embargo, debido a la combinación de quarks que forman el neutrón, un neutrón libre (no asociado al núcleo de un átomo) tiene una vida mucho más corta: unos 15 minutos. Ésa es la razón de que puedas encontrar muchos protones libres en el Universo (núcleos de hidrógeno sin el electrón), pero es muy difícil verneutrones libres más de unos minutos. Cuando un neutrón se desintegra, lo hace en un protón, un electrón y un antineutrino.

Debido a que un neutrón libre sólo permanece como tal durante un cuarto de hora, es difícil disponer de ellos (a diferencia de otras partículas): hay que generarlos según se necesitan. La mayor parte de ellos se obtienen de reacciones nucleares espontáneas de elementos radiactivos, que sufren la fisión de forma natural (como el polonio o el radio), emitiendo neutrones en el proceso.

¡Y los neutrones libres son muy peligrosos! De hecho, es uno de los productos de la desintegración radiactiva más peligrosos que hay. Piensa que otras partículas emitidas en las reacciones nucleares, como los electrones, aunque son peligrosas, son fáciles de parar. Las partículas cargadas, en cuanto entran en contacto con un medio material más o menos denso, empiezan a desviarse (debido a la fuerza eléctrica), a ionizar átomos arrancando electrones que se llevan parte de la energía y se mueven en otra dirección. Es decir, la energía de esas partículas se disipa relativamente rápido.

Por eso, si vas a estar en un lugar en el que puede haber emisión de protones o electrones, un recubrimiento de plomo es una protección muy buena. De hecho, al ser un metal también absorbe muy bien los fotones, de modo que protege contra muchas clases de emisiones radiactivas (alfa, beta y gamma). Pero, ¿y los neutrones?

Al ser neutros, la única manera de que pierdan su energía es que choquen de cabeza con el núcleo de otro átomo. Por lo tanto, la protección contra neutrones requiere un espesor relativamente grande: y además, la masa atómica del núcleo de los átomos no influye mucho en su capacidad para pararlos, pues los núcleos son tan minúsculos comparados con el espacio entre ellos que un aumento de tamaño (por ejemplo, plomo en vez de hidrógeno) apenas influye. La mayor parte de los escudos contra neutrones son paredes espesas de cemento o parafina.

Por supuesto, la mayor parte de los neutrones que puedan llegar a tu cuerpo te atraviesan, pero tú también actúas de “escudo”: y cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de una base nitrogenada de tu ADN…bueno, las consecuencias pueden ser muy desagradables, salvo que la dosis no sea muy intensa y sea breve, y además tengas suerte.

Es decir, que los neutrones son partículas algo anodinas cuando están en el núcleo de un átomo, pero si están libres tienen una vida relativamente corta y que puede ser peligrosa…y todo por tener un quark down en vez de uno up.

Ellos, esos seres, hablan de los misterios de lo que llaman Mecánica Cuántica en la que nos tienen inmersos para comprender nuestros comportamientos e interacciones, así como nos desenvolvemos en situaciones distintas. Alguno de estos seres se ha llegado a preguntar por los misterios de la Mecánica Cuántica y se han preguntado si serán capaces de desvelarlos alguna vez.

La verdad es que está hechos un verdadero lío, y, no saben que la materia se construye sobre fundamentos frágiles. Sus grupos de los que ellos llaman los físicos, acaban de confirmar que la materia, aparentemente sustancial, es en realidad nada más que fluctuaciones en el vació cuántico. Los investigadores simularon la frenética actividad que sucede en el interior de los protones y neutrones, que como sabéis son las partículas que aportan casi la totalidad de la masa a la materia común.

Hasta hace poco, los cálculos en lo que ellos llaman el enrejado QCD se concentraban en los gluones virtuales, e ignoraban otros componentes importantes del vacío como los pares de quarks y antiquarks virtuales.

Los pares quark-antiquark pueden emerger y transformar momentáneamente un protón en una partícula diferente y más exótica. De hecho, el verdadero protón es la suma de todas estas posibilidades sucediendo al mismo tiempo.

Nuestros parientes del vacío, los quarks virtuales hacen mucho más complicados los cálculos, implicando la utilización de una matriz de más de 10.000 billones de números, comenta el Quark up.

Down le responde: “No existe ninguna computadora en la Tierra que pueda almacenar una matriz numérica tan enorme en su memoria”. Así que han tenido que hacer algunos trucos para evaluar la masa de un protón”. No, si ingenio no se les puede negar.
La verdad es que ese ingenio al que te refieres (dice Up), es lo que los ha llevado a los experimentos, que tratan de suplir su falta de energía para llegar más lejos y para ello tratan de aproximarse a los experimentos que no pueden realizar mediante simulaciones informáticas que, bien planteadas, pueden ser muy reveladoras de lo que pudiera ser.

Eso permitirá a los físicos someter a prueba a la QCD y buscar sus efectos más allá de la física conocida. Por ahora, sus cálculos demuestran que la QCD describe partículas basadas en nosotros los quarks de forma precisa, y que la mayor parte de nuestra masa viene de quarks virtuales y gluones que burbujean en el vacío cuántico.

Me parece casi imposible que, estemos aprendiendo tanto de nosotros a través de los estudios que hacen unos seres que están tan alejados de nosotros, hasta el punto de no poderlos ver y que, gracias a las señales electromagnéticas que nos envían, hemos podido contactar, es una maravilla.

Si, así es, y, además, creen que eso que ellos denominan el campo de Higgs hace también su pequeña contribución, dándonos masa a nosotros los quarks individuales, así como a los electrones y a otras varias partículas. Ese campo de Higgs también crea masa a partir del vacío cuántico, en forma de bosones virtuales de Higgs. De modo que si el mostruo que han creado, al que llaman el LHC confirma la existencia del bosón de Higgs (que tan familiar nos resulta a nosotros), eso significará que toda la realidad es virtual.

Cuándo descubran la realidad del mundo en el que están inmersos, ¿crees amigo up que lo podrán soportar?

Bueno, estimado down, estos seres han demostrado que, pocas son las cosas que les arredran, su osadía no tiene límites y, desde luego, desde el llamado Demócrito, han podido avanzar en muy poco tiempo lo que nunca podríamos haber esperado.

En cualquier caso es muy difícil determinar el valor de nuestras masas (dice up), ya que a los quarks no se nos pueden tener aislados. Por otro lado, nuestra carga eléctrica es fraccionaria de la unidad fundamental de carga. Así, por ejemplo, yo tengo una carga igual a 2/3 de la unidad elemental, aunque no se pueden observar tampoco cargas fraccionadas aisladas, ya que los quarks siempre están combinados. Es decir, nosotros formamos partículas compuestas llamadas que denominan hadrones, una palabra (según dicen) derivada de la griega hadrys (fuerte); de modo que la suma de las cargas eléctricas de los quarks que constituyen un hadrón es siempre un número entero.

Los diversos quarks se pueden combinar entre sí para dar lugar a todas las partículas conocidas, salvo los leptones y los bosones, y con este modelo se puede llegar a una buena aproximación en el conocimiento de las partículas elementales. Sin embargo, esta concepción, basada principalmente en la carga eléctrica, deja sin explicar numerosas cuestiones. Por ejemplo, que no existan partículas formadas sólo por dos quarks ni tampoco quarks aislados. Para abordar éstas y otras cuestiones relativas a la estructura más íntima de la materia fue necesaria la introducción de un nuevo número cuántico, el color, cuyos tres valores caracterizan las partículas con mayor precisión.

Oye, amigo Down, la charla me está agotando y siento la necesidad estirarme y tratar de burlar la vigilancia de los 8 gluones que nos acechan y, aunque sé que mi paseo será muy limitado, lo intentaré. Hasta luego amigo.

Está bien, por mi parte haré lo mismo y me daré un paseo por la región contraria a la tuya, de esa manera trataré de dividir la fuerza atractiva que nos tiene confinado.

Claro que, el paseo de Up y Down fue de muy corto trayecto, ya que, la fuerza nuclear fuerte que intermedian los Gluones, trabaja de manera distinta a las otras fuerzas y, cuando más se alejan los Quarks los unos de los otros, más fuerte es la fuerza que los atrae.

Dejaremos aquí está simpática charla que han tenido estos dos minúsculos “personajillos” y, como alguien que sabía mucho más que yo, dijo alguna vez que: “todas las cosas son” y elevó la categoría de la materia (por muy pequeña que fuese) a la de SER, he confeccionado esta reunión de Up y Down con la breve intromisión de Protón, para que, dejaran aquí sus “pensamientos”.

El responsable de Taringa finalizaba así:

Hace un par de dias me encontré esta joya, al menos para mi, es una bonita forma de explicar cosas que son difíciles de entender. A mi me gustó espero que a alguno de vosotros también.

Por Emilio Silvera.