Nuevas pistas sobre el pegamento subatómico

Los físicos de partículas son considerados como las cuadrillas de demolición de lo muy pequeño, que se dedican a destrozar diminutos fragmentos de materia para descubrir los pedazos aún más pequeños de los que está compuesta. Así que puede resultar sorprendente que en este campo se haya descubierto recientemente un nuevo motor de descubrimientos: volver a juntar todas las piezas de nuevo, a veces de maneras extrañas que muy raramente se dan en la naturaleza, si es que alguna vez se producen. El pegamento que sirve de unión a estos experimentos es la llamada interacción fuerte, que normalmente queda relegada a mantener juntos los quarks, los bloques de construcción de partículas tan aburridas como los protones y los neutrones.

"Estos tres hallazgos son jeroglíficos muy importantes", dice el físico Frank Close

Unos indicios de extrañas creaciones comenzaron a surgir el año pasado

Pero los teóricos llevaban mucho tiempo sospechando que la interacción fuerte tenía su lado salvaje y que podría ser capaz de coger los equivalentes subatómicos de una chimenea estilo Tudor por aquí, una fachada Art Deco por allá, y juntarlos para crear un grupo completamente nuevo de partículas.

Los indicios de esas extrañas creaciones comenzaron a aparecer en 2003. A pesar de que los quarks normalmente se congregan en grupos de dos y de tres, varios laboratorios afirmaron el verano pasado que estaban observando lo que parecían ser burdos conglomerados de cinco quarks. En un artículo publicado el 31 de diciembre pasado, investigadores del Acelerador de Alta Energía de Tsukuba, Japón (KEK, siglas en japonés) describen lo que los investigadores creen que es un par de quarks bailando, o suficientemente juntos como para formar una nueva partícula única. El descubrimiento en el KEK, que siguió a otro relacionado en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (EE UU), podría también ser una extraña combinación de tan sólo dos quarks denominada charmonio, según creen algunos teóricos. De cualquier manera, se espera que la avalancha de resultados proporcione nuevos puntos de vista sobre la interacción fuerte, considerada de forma general como una de las partes más oscuras e intratables del Modelo Estándar, la teoría actual que explica la estructura básica de la materia.

"No entendemos cómo funciona realmente esta interacción cuando se vuelve muy fuerte (cuando forma núcleos atómicos, por ejemplo, o compone esas partículas), dice Frank Close, profesor de física teórica de la Universidad de Oxford (Reino Unido). Close compara las pistas dispersas acerca de la manera en que funciona la interacción fuerte con jeroglíficos sin descifrar. "Necesitamos más jeroglíficos para poder descodificarlos", dice. "Estos tres descubrimientos son jeroglíficos muy importantes".

Los hallazgos han sido especialmente bienvenidos en un campo que se encuentra, de algún modo, a la deriva, sin ninguna nueva maquinaria que pueda destrozar la materia en pedacitos aún más pequeños. En 1993, el Congreso de EE UU suspendió la construcción del gigantesco Súper Colisionador Superconductor (SSC), que tenía que haber empezado a funcionar ahora. Y el futuro acelerador LHC, que se construye en el Laboratorio Europeo de Física Partículas (CERN) no entrará en funcionamiento hasta 2007.

Robert Cahn, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que trabaja en el denominado experimento BaBar en Stanford, ha dado nombre al interregno de partículas: la era no-SSC. Pero luego añade: "Y aquí llega esta cosa desde la otra banda".

A pesar de que los físicos saben que los protones y los neutrones están formados por grupos de tres quarks, no ha sido posible liberar un quark. Esto es debido a que la interacción fuerte no se vuelve más débil -a diferencia de la gravedad o las fuerzas eléctricas- cuanto más separadas se encuentren las partículas. Nunca pueden escapar del pegajoso abrazo de otro quark. Las partículas que transmiten la interacción fuerte de quark a quark, denominadas gluones, cambian de forma. Pasan parte del tiempo bajo la apariencia de otros quarks. Esa característica significa que las partículas pesadas como los protones y los neutrones también están llenas de esos quarks más evanescentes que existen y dejan de existir.

Para complicar las cosas, existen ocho tipos diferentes de gluones, cada uno con un tipo distinto de carga. Y hay seis variedades de quarks, cada una con su propio nombre: up, down, top, bottom, charm y strange. En un amable intento de profundizar en los esfuerzos teóricos para unificar las fuerzas en el Modelo Estándar (fuerte, débil y electromagnética) con la gravitación, Chris Quigg, teórico de partículas del Fermi National Accelerator Laboratory dice: "Sólo es una teoría de todo si se pueden explicar todas las cosas. Los experimentos nos están obligando a intentar comprender la teoría en lugares en que los cálculos resultan difíciles". Y añade: "Si te llamas a ti mismo teórico y te tienes algo de respeto, tienes que asumir el reto".

En un episodio que apenas de da en la actualidad en los equipos de investigación sobre partículas, que están formados normalmente por cientos de físicos, el desafío comenzó el año pasado cuando un único científico se dio cuenta de que algo extraño sucedía en los datos que salían de BaBar. Al igual que muchos experimentos de hoy en día, cuando los físicos no tienen ninguna esperanza de traspasar la frontera de la alta energía en las colisiones, BaBar utiliza una estrategia diferente: crear un número descomunal de partículas que son seguidas de cerca cuando se deterioran y transforman en otros productos, con la atención puesta en medir sus propiedades de forma precisa y encontrar lo exótico. Los científicos son dados a denominar esto como la frontera de la luminosidad, según Stephen L. Olsen, físico de la Universidad de Hawai, que traza una analogía entre los haces intensos de partículas y los haces brillantes de luz. BaBar, por ejemplo, ha creado unos 150 millones de pares de mesones B, unas partículas formadas por un quark bottom y uno up o down.

Hace un año, Antimo Palano, un colaborador en el experimento de la Universidad de Bari (Italia), estaba comprobando un proceso de desintegración y vio un pequeño bache en la muestra de datos. Añadió más datos, y la señal continuó haciéndose mayor. El equipo anunció una nueva partícula en abril. "Estaba buscando algo nuevo en los datos, y tuve la suerte de verlo", explicó Palano.

¿Pero qué era la partícula? Palano y algunos compañeros creían que era un tipo de mesón D buscado desde hace tiempo que contiene un quark charm y un quark strange. De hecho, Estia Eichten, teórico de Fermilab, dijo que él y otros habían predicho una masa incorrecta de la partícula, uno de los motivos por los cuales nadie la había encontrado antes. Si esa interpretación resultara ser cierta, arrojará luz sobre los trabajos acerca de la interacción fuerte, dijo Eichten: sus cálculos erróneos presuponían que los dos quarks daban vueltas el uno en torno al otro como el protón y el electrón de un átomo de hidrógeno. Los cálculos mejorados sugieren que los mesones se hallan amarrados el uno al otro como por una goma elástica, con uno de los quarks comportándose como si prácticamente no tuviera nada de masa.

Pero otros físicos, como Close, insinuaron que la sorprendente masa de la partícula podría explicarse más fácilmente si fuera una especie de molécula de otros dos mesones, dando vueltas el uno en torno al otro pero intercambiando a pesar de ello otras partículas que les ayudan a mantenerse unidos. Close decía que el debate sigue sin resolver. Pero hacia el mes de julio, la Thomas Jefferson National Accelerator Facility de Newport News (Virginia), había presentado datos que podrían haber zanjado la cuestión de que se habían visto casos de conglomerados de cinco quarks: dos quarks up, dos down y uno strange revoloteando en una confraternidad jamás vista antes. "En el momento actual", dice Lawrence Cardman, un subdirector del acelerador, "no existe que yo sepa ningún modelo que explique todos los datos". Un punto de vista nos muestra a los quarks up unidos muy estrechamente a los quarks down, y el quark strange por sí solo, y el armatoste entero dando tumbos como una molécula de tres átomos. Otro dice que se forma un conglomerado que vibra y da vueltas, consistente en una pepita de dos quarks y otra de tres quarks.

Por último, en el artículo publicado el último día del año en la revista Physical Review Letters, un grupo del KEK dice que ha hecho otro descubrimiento sorprendente, al que llama X(3872). Un cierto número de teóricos creen que la partícula es un tipo de charmonio (el término que define a un par de quarks encanto que orbitan uno en torno al otro). Algunos científicos, entre ellos Olsen, el jefe del grupo, creen que han descubierto otra molécula más de quarks. En este caso, la molécula contendría un par de mesones, cada uno consistente en un quark charm y un quark up. De algún modo esa colección aparentemente frágil permanecería unida el tiempo suficiente como para poder ser detectada. A pesar de esos interrogantes, dice Olsen, "nos inclinamos hacia este punto de vista molecular". Si se suma todo esto, dice Close, se verá que ha sido un gran momento para la investigación de la interacción fuerte, y añade que los científicos estan algo más cerca de entender el misterioso pegamento del núcleo atómico.

© The New York Times