TEORÍA DEL QUARK

Aunque los bariones se dividieron en grupos, y se estableció una tabla periódica subatómica, aún siguieron existiendo diferentes partículas para proporcionar a los físicos el ansia de encontrar algo todavía más simple y fundamental. En 1964, Gell-Mann, tras haberse esforzado Chandrasekharen elaborar la forma más simple de tener en cuenta todos los bariones con un número mínimo de las más fundamentales partículas subbariónicas, presentó la noción de quark. Le dio este nombre porque vio que sólo tres quarks en combinación eran necesarios para componer un barión, y que diferentes combinaciones de los tres quarks resultaban necesarios para componer todos los bariones conocidos. Esto le recordó una frase de Finnegan's Walke, de James Joyce: "Tres quarks para Musther Mark."

A fin de tener en cuenta las conocidas propiedades de los bariones, los tres quarks diferentes han de tener propiedades específicas propias. La propiedad más asombrosa era una carga eléctrica fraccionaria. Todas las partículas conocidas debían poseer una no carga eléctrica, o una carga eléctrica igual a un múltiplo exacto del electrón (o positrón). Las cargas conocidas, en otras palabras, eran 0, + 1, - 1, + 2, - 2, etc. El sugerir unas cargas fraccionarias resultaba algo tan raro, que la noción de Gell-Mann tuvo que enfrentarse con una fuerte resistencia inicial. Pero el hecho de que consiguiera explicar tantas cosas, le proporcionó una respetuosa audiencia, luego muchos partidarios.

Gell-Mann empezó, por ejemplo, con dos quarks, que en la actualidad se llaman quark ascendente y quark descendente. Esos ascendente y descendente no tienen un significado real, sino sólo una forma extravagante de describirlos. Sería mejor denominarlos quark-u y quark-d.

El quark-u tiene una carga de + 2/3 y el quark-d otra de - 1/3. También puede haber un antiquark-u, con una carga de - 2/3, y un antiquark-d con una carga de + 1/3. Dos quarks-u y un quark-d tendrían una carga de + 2/3, + 2/3 y - 1/3 (un total de + 1) y, en combinación, formarían un protón. Por otra parte, dos quark tendrían una carga de - 1/3, - 1/3 y + 2/3 (un total de 0) y, en combinación, formarían un neutrón. Tres quarks se unirían siempre de tal forma que la carga total constituiría un entero. Así, dos antiquarks-u y un antiquark-d tendrían una carga total de - 1, y formarían un antiprotón, mientras que dos antiquarks-d y un antiquark-u tendrían una carga total de 0 y formarían un antineutrón.

Y lo que es más, los quarks se mantendrían juntos cor tanta firmeza, gracias a la interacción nuclear, que los científicos han sido incapaces hasta ahora de desintegrar protones y neutrones para constituir quarks separados. En realidad existen sugerencias de que la atracción entre quarks aumenta con la distancia, por lo que no existe una forma concebible de desintegrar un protón o neutrón, por lo que no puede nunca detectarse, lo cual hace de la iconoclasta noción de Gell-Mann un poco más fácil de aceptar.

Esos dos quarks son insuficientes para dar cuenta de todos los bariones, o de todos los mesones (que están compuestos por combinaciones de dos quarks). Por ejemplo, Gell-Mann sugirió originariamente que un tercer quark, el que ahora se llama quark-s. La s sería por sideways (en inglés, "de lado", para enlazar con ascendente y descendente), debe emplearse para tener en cuenta la estructura de ciertas llamadas "partículas extrañas", y extrañas porque han existido durante un tiempo muy prolongado antes de desintegrarse como se esperaba.

No obstante, llegado el momento los físicos que investigaban la hipótesis quark decidieron que los quarks deberían existir a pares. Si había un quark-s, debería de haber un quark compañero, al que llamaron quark-c. En 1974, un físico norteamericano, Burton Richter, y otro, Samuel Chao Chung Ting, que trabajaban de forma independiente, en altas energías, aislaron partículas que poseían las propiedades que requería el quark-c.

Los pares de quarks son sabores; y, en cierto sentido, se adecuan a los sabores leptón. Cada sabor de un quark tiene cuatro miembros (por ejemplo el quark-u, el quark-d, el antiquark-u y el antiquark-d), como cada sabor de los leptones tiene cuatro miembros: por ejemplo, el electrón, el neutrino, el antielectrón y el antineutrino. En cada caso, existen tres sabores conocidos: electrón, muón y tauón entre los leptones; quarks u y d, quarks s y c y, finalmente, quarks t y b. El quark-t y el quark-b son por las palabras inglesas top (arriba) y bottom (abajo), según la formulación usual. Los quarks, al igual que los leptones, parecen ser partículas de tamaño puntual, y fundamentalmente carecen de estructura (pero no podemos estar seguros, puesto que ya hemos sido engañados a este respecto, primero por el átomo y luego por el protón). Y es posible que en ambos casos, exista un número indefinido de sabores, si podemos tener más y más energía para gastarla en detectarlos.

Una enorme diferencia entre leptones y quarks radica en que los leptones tienen cargas enteras, o ninguna en absoluto y que no se combinan, mientras que los quarks poseen cargas fraccionarias y, aparentemente, sólo existen en combinación.

Los quarks se combinan según ciertas reglas. Cada sabor diferente de quarks procede de tres variedades de propiedad: una propiedad que los leptones no poseen. Esta propiedad se llama (sólo metafóricamente) color, y las tres variedades se denominan roja, azul y verde.

Cuando los quarks se unen tres a la vez para formar un barión, un quark debe ser rojo, otro azul y otro verde, careciendo la combinación de color, o ser blanca. (Ésta es la razón para eso del rojo, el azul y el verde; en el mundo que nos rodea, como, por ejemplo, en la pantalla del televisor, esa combinación daría blanco.) Cuando los quarks se unen dos a la vez para formar un mesón, uno tendrá un color particular, y el otro el anticolor particular correspondiente, para que la combinación de nuevo dé el color blanco. (Dos leptones carecen de color, siendo ya para empezar blancos.)

El estudio de las combinaciones del quark está aún tan en sus inicios que el color no se detecta nunca en el producto final, como las cargas eléctricas fraccionarias tampoco lo son, y se denomina a esto cromodinámica cuántica, utilizando la palabra cromo de una voz griega que significa "color". (Este término deriva también de una moderna teoría de las interacciones electromagnéticas que ha tenido éxito, y a la que se denomina electrodinámica cuántica.)

Cuando los quarks se combinan lo hacen a través de una partícula de intercambio, que siempre oscila hacia delante y hacia atrás, y que sirve para mantenerlos unidos. A esta partícula de intercambio se la llama gluón, por razones obvias, teniendo en cuenta que en inglés la palabra gluón deriva de glue ("pegamento"). Los gluones si poseen color, lo cual añade más complicaciones al asunto y pueden mantenerse unidos para formar un producto llamado glueballs (bolas de pegamento).

Aunque los hadrones no pueden separarse para formar quarks aislados (dos en el caso de los mesones, tres en el caso de los bariones), existen más formas indirectas de demostrar la existencia del quark. Los quarks podrían formarse por rascamiento si se concentrase la suficiente energía en un pequeño volumen, o aplastando juntas unas corrientes muy enérgicas de electrones y positrones (las suficientes para formar un tauón).

Los quarks producidos de esta forma se combinarían instantáneamente en hadrones y antihadrones que saldrían en direcciones opuestas. Si hubiese la suficiente energía, habría tres corrientes que formarían un trébol de tres hojas: hadrones, antihadrones y gluones. El trébol de dos hojas ya ha sido formado y, en 1979, se anunciaron experimentos en los que una rudimentaria tercera hoja estaba empezando a formarse. Esto es una fuerte confirmación de la teoría de los quarks.