Los 'quarks' tambi¨¦n existen

La verdadera obsesi¨®n de los f¨ªsicos es comprender la enorme diversidad de los fen¨®menos de la naturaleza en t¨¦rminos de unos pocos componentes elementales y unas pocas interacciones simples. Cuantas menos componentes e interacciones, mejor; y a¨²n mejor si contienen cierta dosis de simetr¨ªa interna que permita incorporarlas f¨¢cilmente en un esquema abstracto y formal.Es una obsesi¨®n en principio gratuita pero que encuentra su justificaci¨®n en la historia de la ciencia. Esta puede contemplarse, en efecto, como una sucesi¨®n de avances en que un campo cada vez m¨¢s amplio de fen¨®menos se entiende con un n¨²-, mero menor de principios independientes. El caso del electromagnetismo, a finales del siglo pasado, es paradigm¨¢tico, como lo es, recientemente, el de las teor¨ªas unificadas en f¨ªsica de part¨ªculas elementales.

Es precisamente en este terreno -donde el trabajo de los galardonados este a?o con el Premio Nobel de F¨ªsica ha supuesto una contribuci¨®n experimental importante. En efecto, a principios de los a?os sesenta se desarroll¨® una teor¨ªa, o mejor una serie de modelos te¨®ricos, cuyo objetivo era acomodar la enorme diversidad de part¨ªculas elementales encontradas (en realidad, producidas) en los aceleradores de part¨ªculas, en esquemas geom¨¦tricos y formales simples.

N¨²mero menor

Los centenares de part¨ªculas elementales encontradas, del tipo del prot¨®n o del neutr¨®n, no pod¨ªan ser, en la mentalidad de un f¨ªsico te¨®rico, los componentes m¨¢s fundamentales de la materia, del mismo modo que no lo son los m¨¢s de 90 ¨¢tomos estables existentes en la naturaleza. La intuici¨®n y la experiencla suger¨ªan que esa diversidad ten¨ªa que ser el resultado de m¨²ltiples combinaciones distintas de un n¨²mero menor de componentes, que, ¨¦sos s¨ª, Podr¨ªan ser elementales.

Estudiando las propiedades de todas esas part¨ªculas (carga el¨¦ctrica, otras cargas, masas, etc¨¦tera) se lleg¨® a elaborar un esquema coherente en el que pod¨ªan ser agrupadas en familias; los famosos multipletes del llamado eightfold way, al que contribuyeron muchos fisicos, siendo el m¨¢s caracter¨ªstico deellos otro premio Nobel de F¨ªsica, Murray Gell-Mann.

Dichos multipletes podr¨ªan ser interpretados como el resultado de combinar, de maneras bien definidas, un n¨²mero muy peque?o de hipot¨¦ticas part¨ªculas elementales, tres en la ¨¦poca, 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 dise?aron y realizaron un experimento, o m¨¢s bien encabezaron el nutrido grupo de flisicos que lo hizo, en el acelerador de Stanford, consistente en hacer incidir electrones de muy alta energ¨ªa sobre protones. Una gran energ¨ªa de colisi¨®n implica un gran poder de penetraci¨®n de esos electrones, de modo que ¨¦stos eran capaces de interaccionar con hipot¨¦ticos componentes internos de protones y neutrones, d¨¢ndonos as¨ª informaci¨®n sobre su existencia y propiedades.

Esos experimentos, en cuyainterpretaci¨®n jug¨® un papel fundamental otro f¨ªsico eminente, Richard Feyriman, uno de los que yo personalmente m¨¢s he admirado siempre, llevaron pronto a la conclusi¨®n de que el prot¨®n, el neutr¨®n y otras muchas part¨ªculas similares estaban constituidos por entidades m¨¢s peque?as y puntuales que, tras un periodo de an¨¢lisis, se identificaron con los quarks, cuya existencia hab¨ªa sido postulada antes en base a argumentos de clasificaci¨®n de part¨ªculas. En esos experimentos, los electrones interaccionaban directamente con los quarks.

Las propiedades de la gran mayor¨ªa de las part¨ªculas encontradas pod¨ªan comprenderse suponi¨¦ndolas 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 electr¨®n y el neutrino, constituyen la primera generaci¨®n de part¨ªculas verdaderamente elementales, hasta donde hoy sabemos, que se combinan para dar lugar a protones, neutrones y muchas otras part¨ªculas elementales que, a su vez, forman los n¨²cleos de los ¨¢tomos que forman toda la materia conocida.

Tres generaciones

Pero hab¨ªa otra clase de part¨ªculas, muy inestables en general m¨¢s pesadas que las anteriores, que presentaban propiedades que revelaban la existencia de otros quarks. En concreto hay una segunda generaci¨®n de part¨ªculas formada por los quarks c (de charm) y s (de strange), el mu¨®n, que es una especie de electr¨®n pesado, y su correspondiente neutrino. Y a¨²n existe una tercera cuyos nombres se dan en la tabla, aunque el quark t no ha podido ser encontrado todav¨ªa, veros¨ªmilmente porque su masa es tan grande que ning¨²n acelerador de los existentes hasta hoy ha podido producirlo.

Los experimentos de Friedman, Kendall y Taylor permitieron tambi¨¦n profundizar en la naturaleza de las interaccionesentre quarks, aunque su descripci¨®n detallada se produjo tras el estudio de una enorme cantidad de datos experimentales obtenidos posteriormente en experimentos similares aunque cada vez m¨¢s energ¨¦ticos y sofisticados. El resultado es la cromodin¨¢mica cu¨¢ntica, teor¨ªa que se asocia a una de las cuatro interacciones b¨¢sicas de la naturaleza, justamente la que mantiene ligados a los quarks en el interior de protones, neutrones y otras part¨ªculas. El nombre evoca el hecho de que la interacci¨®n es una especie de generalizaci¨®n de la electrodin¨¢mica cu¨¢ntica, que es la teor¨ªa de las interacciones el¨¦ctricas y magn¨¦ticas, en el que la carga b¨¢sica responsable de la misma no es la carga el¨¦ctrica, sino la llamada carga de color, propiedad perteneciente en exclusiva a los quarks.

Esa teor¨ªa permite explicar la raz¨®n de que los quarks se agrupen de la manera que lo hacen y no de otra, y tambi¨¦n de que no puedan ser separados, o por lo menos que resulte tan costoso energ¨¦ticamente que no se ha logrado hasta hoy. De hecho, hace unos 10 a?os se publicaron resultados de un experimento, realizado tambi¨¦n en Stanford, que parec¨ªa haber demostrado la existencia de quarks libres. Nunca se pudo reproducir, de modo que, por el momento, no tenemos m¨¢s remedio que admitir que los quarks s¨®lo existen formando parte de part¨ªculas complejas, lo cual est¨¢ en perfecto acuerdo con la teor¨ªa, y que desde el interior de esas part¨ªculas pueden interaccionar con agentes exteriores.

M¨¢s a¨²n, la interacci¨®n nuclear entre protones y neutrones en los n¨²cleos at¨®micos es una consecuencia de su estructura en quarks y de las propiedades de estos ¨²ltimos, aunque no existe hasta hoy un esquema te¨®rico que relacione adecuadamente las interacciones elementales entre quarks con las globales de neutrones y protones.

En conclusi¨®n, los quarks tambi¨¦n existen y son los componentes de la inmensa mayor¨ªa de las part¨ªculas que conforman la materia. Y no s¨®lo eso; de hecho constituyen la nueva tabla peri¨®dica de elementos (la tabla que se reproduce), m¨¢s corta, m¨¢s extra?a y probablemente m¨¢s excitante que la vieja tabla de Mendeleiev.

Cayetano L¨®pez es fisico, rector de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.