Los 'quarks' también existen

La verdadera obsesión de los físicos es comprender la enorme diversidad de los fenómenos de la naturaleza en términos de unos pocos componentes elementales y unas pocas interacciones simples. Cuantas menos componentes e interacciones, mejor; y aún mejor si contienen cierta dosis de simetría interna que permita incorporarlas fácilmente en un esquema abstracto y formal.Es una obsesión en principio gratuita pero que encuentra su justificación en la historia de la ciencia. Esta puede contemplarse, en efecto, como una sucesión de avances en que un campo cada vez más amplio de fenómenos se entiende con un nú-, mero menor de principios independientes. El caso del electromagnetismo, a finales del siglo pasado, es paradigmático, como lo es, recientemente, el de las teorías unificadas en física de partículas elementales.

Es precisamente en este terreno -donde el trabajo de los galardonados este año con el Premio Nobel de Física ha supuesto una contribución experimental importante. En efecto, a principios de los años sesenta se desarrolló una teoría, o mejor una serie de modelos teóricos, cuyo objetivo era acomodar la enorme diversidad de partículas elementales encontradas (en realidad, producidas) en los aceleradores de partículas, en esquemas geométricos y formales simples.

Número menor

Los centenares de partículas elementales encontradas, del tipo del protón o del neutrón, no podían ser, en la mentalidad de un físico teórico, los componentes más fundamentales de la materia, del mismo modo que no lo son los más de 90 átomos estables existentes en la naturaleza. La intuición y la experiencla sugerían que esa diversidad tenía que ser el resultado de múltiples combinaciones distintas de un número menor de componentes, que, ésos sí, Podrían ser elementales.

Estudiando las propiedades de todas esas partículas (carga eléctrica, otras cargas, masas, etcétera) se llegó a elaborar un esquema coherente en el que podían ser agrupadas en familias; los famosos multipletes del llamado eightfold way, al que contribuyeron muchos fisicos, siendo el más característico deellos otro premio Nobel de Física, Murray Gell-Mann.

Dichos multipletes podrían ser interpretados como el resultado de combinar, de maneras bien definidas, un número muy pequeño de hipotéticas partículas elementales, tres en la época, de propiedades peculiares, que recibieron el nombre de quarks, palabra sacada de un pasaje del Finnegans wake, de James Joyce.

A finales de los sesenta, J. I. Friediman, H. W. Kendall y R. E. Taylor diseñaron y realizaron un experimento, o más bien encabezaron el nutrido grupo de flisicos que lo hizo, en el acelerador de Stanford, consistente en hacer incidir electrones de muy alta energía sobre protones. Una gran energía de colisión implica un gran poder de penetración de esos electrones, de modo que éstos eran capaces de interaccionar con hipotéticos componentes internos de protones y neutrones, dándonos así información sobre su existencia y propiedades.

Esos experimentos, en cuyainterpretación jugó un papel fundamental otro físico eminente, Richard Feyriman, uno de los que yo personalmente más he admirado siempre, llevaron pronto a la conclusión de que el protón, el neutrón y otras muchas partículas similares estaban constituidos por entidades más pequeñas y puntuales que, tras un periodo de análisis, se identificaron con los quarks, cuya existencia había sido postulada antes en base a argumentos de clasificación de partículas. En esos experimentos, los electrones interaccionaban directamente con los quarks.

Las propiedades de la gran mayoría de las partículas encontradas podían comprenderse suponiéndolas constituidas por quarks de dos tipos, u (de up) y d (de down), agrupados de tres entres o en parejas de un quark y un anti-quark. Estos dos quarks, junto con el electrón y el neutrino, constituyen la primera generación de partículas verdaderamente elementales, hasta donde hoy sabemos, que se combinan para dar lugar a protones, neutrones y muchas otras partículas elementales que, a su vez, forman los núcleos de los átomos que forman toda la materia conocida.

Tres generaciones

Pero había otra clase de partículas, muy inestables en general más pesadas que las anteriores, que presentaban propiedades que revelaban la existencia de otros quarks. En concreto hay una segunda generación de partículas formada por los quarks c (de charm) y s (de strange), el muón, que es una especie de electrón pesado, y su correspondiente neutrino. Y aún existe una tercera cuyos nombres se dan en la tabla, aunque el quark t no ha podido ser encontrado todavía, verosímilmente porque su masa es tan grande que ningún acelerador de los existentes hasta hoy ha podido producirlo.

Los experimentos de Friedman, Kendall y Taylor permitieron también profundizar en la naturaleza de las interaccionesentre quarks, aunque su descripción detallada se produjo tras el estudio de una enorme cantidad de datos experimentales obtenidos posteriormente en experimentos similares aunque cada vez más energéticos y sofisticados. El resultado es la cromodinámica cuántica, teoría que se asocia a una de las cuatro interacciones básicas de la naturaleza, justamente la que mantiene ligados a los quarks en el interior de protones, neutrones y otras partículas. El nombre evoca el hecho de que la interacción es una especie de generalización de la electrodinámica cuántica, que es la teoría de las interacciones eléctricas y magnéticas, en el que la carga básica responsable de la misma no es la carga eléctrica, sino la llamada carga de color, propiedad perteneciente en exclusiva a los quarks.

Esa teoría permite explicar la razón de que los quarks se agrupen de la manera que lo hacen y no de otra, y también de que no puedan ser separados, o por lo menos que resulte tan costoso energéticamente que no se ha logrado hasta hoy. De hecho, hace unos 10 años se publicaron resultados de un experimento, realizado también en Stanford, que parecía haber demostrado la existencia de quarks libres. Nunca se pudo reproducir, de modo que, por el momento, no tenemos más remedio que admitir que los quarks sólo existen formando parte de partículas complejas, lo cual está en perfecto acuerdo con la teoría, y que desde el interior de esas partículas pueden interaccionar con agentes exteriores.

Más aún, la interacción nuclear entre protones y neutrones en los núcleos atómicos es una consecuencia de su estructura en quarks y de las propiedades de estos últimos, aunque no existe hasta hoy un esquema teórico que relacione adecuadamente las interacciones elementales entre quarks con las globales de neutrones y protones.

En conclusión, los quarks también existen y son los componentes de la inmensa mayoría de las partículas que conforman la materia. Y no sólo eso; de hecho constituyen la nueva tabla periódica de elementos (la tabla que se reproduce), más corta, más extraña y probablemente más excitante que la vieja tabla de Mendeleiev.

Cayetano López es fisico, rector de la Universidad Autónoma de Madrid.