La revoluci¨®n de los quarks

Los quarks, que este a?o cumplieron los 50 a?os, tardaron 20 en pasar de ser una idea incre¨ªble de los f¨ªsicos te¨®ricos de part¨ªculas a una realidad sorprendente. La idea tiene tres autores simult¨¢neos: Andr¨¦ Petermann la public¨® en franc¨¦s, conden¨¢ndola a que nadie se enterase. Murray Gell-Mann obtuvo el Nobel (1969) en parte por ella, pero su art¨ªculo original fue rechazado por la prestigiosa revista Physical Review Letters (PLR). A George Zweig, el director de teor¨ªa del CERN le impidi¨® incluso dar una charla sobre el tema. Tampoco los cient¨ªficos aceptan f¨¢cilmente ideas revolucionarias. Quark es un reques¨®n alem¨¢n, una oscura cita de Gell-Mann a James Joyce.

?Ahora ense?an en la escuela que estamos hechos de mol¨¦culas, compuestas por ¨¢tomos. Estos est¨¢n constituidos por electrones y un n¨²cleo con protones y neutrones. A diferencia de los electrones ¡ªque si tienen partes, no lo sabemos¡ª, los protones y neutrones est¨¢n hechos de quarks up (u) y down (d). El prot¨®n es la combinaci¨®n uud y el neutr¨®n, udd. Cada quark tiene su correspondiente part¨ªcula de antimateria: un antiquark. Y tambi¨¦n existen part¨ªculas hechas de un quark y un antiquark.

En 1964, el problema a resolver era que el n¨²mero de part¨ªculas conocidas era enorme: dif¨ªcil pensar que todas fuesen elementales, es decir, no constituidas por unas pocas m¨¢s peque?as a¨²n. Adem¨¢s, se conoc¨ªan ya otras part¨ªculas, significativamente llamadas extra?as, que alargaban la lista. Los quarks eran la soluci¨®n, con solo tres: up, down y un tercer llamado strange (s) se pod¨ªa construir toda la manada de dichas part¨ªculas y explicar muchas de sus propiedades. Bonito y sencill¨ªsimo, pero ?por qu¨¦ revolucionario?

La raz¨®n m¨¢s obvia es que entonces se pensaba que todas las cosas que tienen partes¡­ se pueden partir. El hidr¨®geno, por ejemplo, est¨¢ constituido por un prot¨®n y un electr¨®n. Prueba de que as¨ª es, es que si lo rompemos se rompe en¡­ un prot¨®n y un electr¨®n. Y la m¨¢s revolucionaria propiedad de los quarks es que no puedan aislarse. Si uno intenta romper un prot¨®n, no se rompe en dos quarks u y un d, sino que se crea un par quark-antiquark, y uno obtiene, por ejemplo, un neutr¨®n y otra part¨ªcula compuesta de un u y un anti-d. ?Hay cosas que tienen partes, pero cuando las partes, no se parten en sus partes! Esta peculiaridad de los quarks es el?confinamiento. Un quark est¨¢ o indisolublemente ligado a su pareja (un antiquark), o forma parte, como en el prot¨®n, de un m¨¦nage ¨¤ trois.

Cada uno de estos constituyentes de la materia tiene tres versiones, o ¡®colores¡¯

Sheldon Glashow y otros sugirieron, por motivos discutibles, la existencia del c, un cuarto quark encantado (charmed). Pero las leyes de la naturaleza son como Alemania: todo lo que no est¨¢ prohibido es obligatorio. Glashow, Jean Iliopoulos y Luciano Maiani demostraron que, como por arte de birlibirloque, con cuatro quarks (u, d, c, s) ciertos procesos no observados estaban prohibidos, mientras que con un n¨²mero impar (u, d, s) ser¨ªan inevitables. El m¨¢gico encanto del cuarto quark devino irresistible. Ahora sabemos que quarks hay seis (par) y que probablemente la lista es completa. Tambi¨¦n obligatorio: para construir un prot¨®n con tres quarks, cada quark debe tener tres versiones, llamadas colores, aunque no tengan nada que ver con los de la luz. As¨ª que, hacia 1970, sospech¨¢bamos que exist¨ªan cuatro quarks (u, d, c, s), cada uno en tricolor.

En 1973 David Politzer y, casi simult¨¢neamente, David Gross y Frank Wilczek enviaron a PRL la prueba de que la teor¨ªa que describe c¨®mo interaccionan los quarks (llamada cromodin¨¢mica) es asint¨®ticamente libre: cuanto m¨¢s de cerca observamos quarks, m¨¢s libres parecen, sus interacciones se debilitan.

Estas raras teor¨ªas empezaron a ser irrefutables en noviembre de 1975. Con un d¨ªa de intervalo, los equipos de Samuel Ting y Burton Richter anunciaron el descubrimiento de dos nuevas part¨ªculas ¡ªque eran la misma¡ª con propiedades incomprensibles: la J y la Psi. PRL sac¨®, ipso facto, ocho (!) art¨ªculos de 19 autores interpretando la J/Psi. Solo dos dieron en el clavo: se trataba del charmonio, compuesto de un quark encantado y su antiquark anti-encantado, con un encanto total nulo. En la interpretaci¨®n de la J/Psi, la libertad asint¨®tica jugaba un rol crucial.

Hay un premio millonario para quien demuestre el confinamiento

Para convencer a la comunidad cient¨ªfica de algo ya obvio (los quarks existen) se necesitaba m¨¢s le?a. Un experimento liderado por Nick Samios fotografi¨® las dos primeras part¨ªculas claramente encantadas, cuyas propiedades eran precisamente las predichas. Ni eso bast¨®. Zoquetes.

Todo f¨ªsico estudia el ¨¢tomo de hidr¨®geno, sus niveles de energ¨ªa y las transiciones entre ellos. Si el recientemente descubierto J/Psi era un estado de charmonio, habr¨ªa otros y en conjunto se parecer¨ªan al hidr¨®geno como dos gotas de agua. As¨ª result¨® ser. Los empecinados cambiaron de chaqueta: todos eran quark¨®cratas ¡°de toda la vida¡±. Muchas otras part¨ªculas encantadas, tambi¨¦n con las propiedades precisamente predichas, se descubrieron desde 1976. Caso cerrado.

Ah¨ª seguimos: ?por qu¨¦ est¨¢n los quarks insuperablemente confinados? El complemento de la libertad asint¨®tica es la esclavitud infrarroja: el que dos quarks, cuanto m¨¢s se alejan, m¨¢s ligados est¨¢n. Falta alg¨²n paso para probar te¨®rica e irrefutablemente su confinamiento y hay un premio del Clay Institute (un mill¨®n de d¨®lares) para quien lo consiga. ?Quiz¨¢s alguno de nuestros cient¨ªficos en exilio forzoso, o en paro?

?lvaro de R¨²jula es f¨ªsico te¨®rico del Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN) y del Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (CSIC-UAM).