Los Quarks

Miguel García Guerrero

El ser humano, curioso por naturaleza, siempre se ha cuestionado a si mismo no sólo de que está hecho; sino también como están conformadas todas las cosas que lo rodean. No es raro que en nuestra temprana edad desarmemos cuanto aparato se nos pone enfrente, sólo para saber de que está hecho, e incluso no falta quien (a modo de cirujano) abra a sus mascotas para conocer su interior.

Esta curiosidad condujo muchos hombres de ciencia a desarrollar esfuerzos que nos ha permitido llegar a tener, hoy en día, un conocimiento razonablemente acertado de la estructura de la materia. Con este artículo se pretende darle al lector una perspectiva clara de las partículas más pequeñas que conocemos.

Los Quarks son un concepto que se ha venido manejando por casi 50 años, hace 35 que confirmamos su existencia, sus propiedades se han ido descubierto a lo largo de las últimas décadas y le dan sustento a la materia como la conocemos pero, con todo lo anterior, muy poca gente tiene una idea clara de que son estas partículas.

Vamos a iniciar un viaje en el que buscaremos conocer estas partículas, cuyo nombre nos remite irremediablemente al característico sonido de los patos, que juegan un rol sumamente importante en nuestro universo. Para este viaje será muy útil tener a punto nuestra imaginación, que nos ayudará adentrarnos en las microscópicas profundidades de la materia.

Nuestro trayecto inicia contigo amigo lector, seguramente un ser humano que ávidamente lee este artículo, y te pregunto ¿sabes de que estás hecho? Seguramente tu primer respuesta sea: de carne y hueso (o tal vez alguna de las otras cosas que discutiremos más adelante, pero por lo pronto nos quedamos con carne y hueso).

De hecho debemos ampliar esta concepción que está muy metida dentro de nuestra propia concepción: los seres humanos estamos hechos de sistemas (como el respiratorio o digestivo), que son integrados por órganos formados por tejidos. Dichos tejidos están formados por la unidad fundamental de la vida, al menos como la conocemos: las células.

Las células nos conforman a todos los seres vivos, desde las gigantes ballenas a los microscópicos protozoarios, su apariencia no sólo varía dependiendo del tipo de ser vivo que componen sino también de la función que dentro de este desarrollan. Su tamaño. En el caso de los animales la cuenta de células por ser vivo alcanza los miles de millones.

Por practicidad nos veremos obligados a introducir la notación científica para expresar las dimensiones de las partículas que vayamos revisando. En el caso de las células su tamaño fluctúa, dependiendo de los factores mencionados anteriormente, alrededor de las micras (una micra es una millonésima de metro, 0.000001 metros) esto es 1 X 10-6 metros, el número negativo nos indica el numero de dígitos que debemos recorrernos después del punto decimal.

En general podemos hablar que estas unidades fundamentales de la vida (descubiertas en el siglo XVII por Robert Hooke) cuentan con rasgos comunes en su composición, como el núcleo, cromosomas y citoplasma, entre otros, pero si hablamos de un componente común en todas las células tenemos que dar un brinco. Sin importar el ser vivo del que se trate y su función todas las células están hechas por millones de moléculas.

Las moléculas no son sólo componentes de los seres vivos, sino de la materia en general. Todo lo que observamos a nuestro alrededor, con la excepción del Sol y las estrellas, está conformado por moléculas. Son la parte más pequeña en que una sustancia pura puede ser dividida sin perder sus propiedades.

En la naturaleza existen un sinnúmero de moléculas diferentes, que reciben sus características de los elementos que las conforman. Actualmente se conocen más de 100 elementos químicos que conforman toda la materia del universo, dichos elementos encuentran su unidad más pequeña en los átomos.

Los Griegos Leucipo y Demócrito los bautizaron, hace más de 2400 años. Átomo significa indivisible. Lo consideraban la unidad fundamental de la materia, la partícula más pequeña. En este caso no podemos hablar de que los griegos descubrieron el átomo, sino que predijeron su existencia.

Tuvieron que pasar casi 2000 años para que se iniciara la serie descubrimientos que nos han permitido llegar a conocer a fondo las propiedades al interior del átomo, los esfuerzos de científicos como Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli y Heisemberg (entre otros) han sido invaluables para el conocimiento de la partícula que resultó no ser tan indivisible.

-El átomo mide alrededor de 1X10-10 metros y está conformado por tres partículas, llamadas protones (carga positiva), neutrones (carga neutra) y electrones (carga negativa). Los protones y neutrones se encuentran en un cúmulo central llamado núcleo, cuyo tamaño es de 1X10-14 metros, mientras que los electrones giran alrededor de este.

-El átomo es unas 10,000 veces más grande que el núcleo, si el átomo fuera un estadio de futbol el núcleo sería del tamaño de un balón.

-Los protones y neutrones tienen un tamaño de 1X10-15 metros. La tecnología actual no nos permite medir objetos de un tamaño menor de 1X10-18 metros y sólo hemos sido capaces de determinar que los electrones son más pequeños que eso, aún no tenemos claro que tan pequeños.

-Los electrones no pueden girar en la órbita que se les antoje sólo pueden ocupar las órbitas cuya energía sea proporcional a la constante de Planck multiplicada por un número entero. Para cambiar de órbita un electrón debe emitir energía (para acercarse al núcleo) o recibirla (para alejarse). Ningún electrón se puede acercar más al núcleo de lo que permite la primer órbita.

-Es imposible saber con precisión la posición y velocidad de un electrón en el átomo al mismo tiempo, entre mejor conocemos una menos sabemos de la otra. Los electrones son en realidad al mismo tiempo ondas y partículas.

Finalmente parecía que se llegaban a conocer las partículas fundamentales de la materia, se había logrado dar respuesta a esa pregunta ancestral que comentamos inicialmente. Pocas décadas duró la satisfacción ya que se estaba por alcanzar el descubrimiento de una nueva partícula fundamental.

En 1955 se propone, como resultado de un análisis matemático de las propiedades de las partículas atómicas, la existencia de partículas fundamentales llamadas Quarks, mismas que integrarían a los protones y neutrones. Murray Gell-Mann tomó el nombre de una palabra que aparece en la novela "Finnegan´s Wake" de James Joyce. La leyenda cuenta que tras leerla soñó que tres aves en vuelo le decían "Tres Quarks para Mr. Gell-Man" una y otra vez, lo que lo empujó a denominar así a la partícula recién descubierta.

En 1968 experimentos, realizados en aceleradores de partículas, revelaron la estructura de las partículas nucleares y confirmaron la existencia de los Quarks, que conforman a las partículas del núcleo atómico.

Los Quarks que conforman la mayor parte de la materia se dividen en dos tipos "up" (arriba) y "down" abajo, un protón está hecho por dos Quarks up y uno down, un neutron está hecho por dos down y uno up. Existen otros tipos, que los científicos llaman sabores, de Quarks menos comunes llamados raros: "charm" (encanto), "top" (cima), "strange" (estraño) y "bottom" (fondo). Los 4 últimos sólo se han observado en el laboratorio, nunca en la naturaleza.

Estas partículas cuentan con la particularidad de ser las únicas cuya carga eléctrica es una fracción de la del electrón, cosa nunca antes observada en la naturaleza.

Las masas que actualmente se tienen consideradas para los Quarks son aproximadas, ya que no podemos encontrar estas partículas aisladas en la naturaleza. Los valores aproximados se obtienen a través de experimentos de alta energía.

Otra curiosidad es que la mayor parte de la masa de las partículas nucleares proviene de la energía de los Quarks, ya que la suma de sus masas es muy pequeña. Por ejemplo 2 arriba y uno abajo juntos tienen una masa de 0.02 GeV/c2, que no es nada comparada con la del protón (0.938 GeV/c2).

Debemos señalar que en el mundo de las partículas subatómicas expresamos la masa en términos de energía, ya que así nos lo permite la expresión de Einstein E=mc2, entonces m=E/c2, donde c es la velocidad de la luz (298,000 kilómetros por segundo). La energía se expresa en miles de millones de electrón-volts (GeV), que pareciera una cantidad grande pero disminuye notablemente cuando lo dividimos sobre el cuadrado de la velocidad de la luz.

Para el tamaño de los Quarks nos topamos con el mismo problema que en el caso de los electrones, nuestra tecnología no es capaz de medir algo tan pequeño. Tendremos que esperar una mayor capacidad tecnológica para conocer su verdadero tamaño (que es menor a 1X10-18 metros).

Cuando yo cursaba la escuela secundaria siempre me pregunté como era que, si las cargas eléctricas iguales se repelen, todos los protones estaban juntos en el núcleo; era ilógico. En alguna ocasión me dijeron que se debía a las fuerzas atómicas pero nunca me explicaron más.

Pues bien, resulta que la responsable de vencer la repulsión magnética se le conoce como Interacción Fuerte(que recibe su nombre por ser la fuerza más grande conocida en la naturaleza), y es nada más y nada menos que responsabilidad de nuestros amigos los Quarks.

Esta interacción que une a unos Quarks con otros (aún cuando no estén dentro del mismo protón o neutrón) surge de una propiedad llamada "Color". El color es a la interacción fuerte lo que la carga al electromagnetismo.

El color, que no tiene nada que ver con la radiación electromagnética que observamos normalmente, implica el intercambio, entre los Quarks, de partículas sin masa llamadas "gluones" (o pegones). Estas partículas transmiten las fuerzas que mantienen juntos a los Quarks, que conforme emiten y reciben gluones cambian de color. Existen Quarks Verdes, Rojos y Azules.

La importancia de los Quarks la podemos resumir diciendo que, junto a los electrones, conforman toda la materia en el Universo. De hecho en los primeros segundos después de la Gran Explosión toda la materia conocida se concentraba en un mar de Quarks y electrones, las únicas partículas primordiales.

Se trata pues de unos "Patos Primordiales" a los Quarks, ya que su nombre siempre nos recuerda al sonido emitido por estas aves. De hecho podríamos atrevernos a especular que hasta pueden tener forma de cara de pato, después de todo aunque no podemos justificar nuestra aseveración, nadie es capaz de desmentirla. Al menos por ahora.