Los Quarks invisibles

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 o un neutrón (agudicemos la imaginación), 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 asintótica. 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 (así nos llaman), 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.

Estas tres partículas conforman los átomos y, en relación a los hadrones situados en el núcleo atómico y por eso denominados nucleones, están conformados por tripletes de Quarks, 2 up y 1 down los protones y 2 down y 1 up los neutrones que están allí confinados merced a la fuerza nuclear fuere y atados por el intercambio de Gluones, la partícula portadoras de la fuerza que son Bosones, dicen que todas las fuerzas tienen su partícula mediadora y la de la luz y las radiaciones es el llamado Fotón.

_ Según parece, el resultado obtenido por estos experimentos, es que, el quark up pesa aproximadamente 2 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 y vibrantes de las que, nosotros los quarks, estamos hechos, y que los seres que nos estudian llaman “cuerdas” y, 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.

Los físicos estudian las partículas subatómicas y lo que llaman mesones están conformados por dos Quarks, es decir, un quark y un anti-quark.
                          
_ 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 que, 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 el protón 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 ver neutrones 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 están 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 anti-quarks virtuales.

¿Perdido pero interesado? Los quarks forman hadrones, que pueden ser bariones o mesones. Los bariones son partículas formadas por tres quarks de valencia rodeados de un océano de pares quark-anti-quark y gluones virtuales. Los mesones están formados por un quark y un anti-quark de valencia rodeados de un océano de pares quark-anti-quark y gluones virtuales. Salvo el quark top (cuya vida media es demasiado corta para hadronizarse), todos los quarks pueden formar parte de los hadrones. El LHCb es el detector de partículas del LHC especializado en los hadrones formados por quarks b (bottom) de valencia.

_ Los pares quark-anti-quark 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, que son 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 “monstruo” 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.

– Down comenta: Parece que los científicos del CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, han anunciado que, por primera vez, han observado que el bosón de Higgs se transforma en partículas elementales conocidas como quarks del fondo a medida que se descompone. Los físicos han predicho que esta es la forma más común en que la mayoría de los bosones de Higgs deberían descomponerse, pero hasta ahora, ha sido extremadamente difícil distinguir las señales sutiles de la descomposición. El descubrimiento es un paso significativo hacia la comprensión de cómo el bosón de Higgs da masa a todas las partículas fundamentales en el universo. Si pudieran comunicarse con nosotros… ¿Cuántos experimentos les podríamos ahorrar? Siendo conocedores de todo lo que aquí pasa.

Son tan grandes que los infinitesimal queda fuera de su alcance y, es la base de todo lo que existe

_ 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 de 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 categoría de SER, he confeccionado esta reunión de Up y Down con la breve intromisión de Protón, para que, dejaran aquí sus “pensamientos”.

¡Algunas veces se me ocurren unas cosas! Mira que dos Quarks de charleta.