Sobre el mundo subatómico de los quarks y otras historia de física

Hace unos días se cumplieron años del nacimiento de Murray Gell-Mann (1929-2019). Su figura ha resultado decisiva para el entendimiento del Universo microscópico, ese en donde se encuentras las partículas fundamentales que le dan sentido a la estructura de la realidad.

Entre los numerosos premios que recibió este físico estadounidense, nacido en Nueva York, se encuentra el premio Nobel de Física, el cual lo ganó en 1969 por sus descubrimientos sobre partículas elementales. A él se le atribuye haber bautizado a una de las partículas fundamentales como lo es el quark, cuyo nombre está tomado de la novela Finnegans Wake del escritor irlandés James Joyce.

Hay que precisar que antes de 1969 se pensaba que los átomos eran partículas indivisibles, esto significa que no podía existir nada más allá de los hasta entonces conocidos neutrones y protones, que forman el núcleo del átomo y de los electrones, que giran en torno a éstos.

Pero en 1964 Gell-Mann y George Zeig teorizaron la existencia de partículas aún más pequeñas: los quarks.

Para justificar la existencia de los quarks, Gelman y Zeig se basaron en trabajos anteriores. Concretamente en lo que propuso Lev Okumen en una asamblea de la International Conference of Energy Physics, que tuvo lugar en 1962. Allí, Okun introdujo el termino hadrón que es una partícula subatómica formada por quarks, los cuales permanecen unidos gracias a la interacción nuclear fuerte, que es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la fuerza nuclear débil (que es responsable de la radioactividad), la fuerza de gravedad y, por supuesto, el electromagnetismo.

Los hadrones, al estar compuestos por una mezcla de quarks y/o antiquarks, se dividen a su vez en dos tipos: bariones y mesones. Sobre los primeros, podemos decir que están formados por tres quarks y los más representativos de estos bariones son aquellos que le dan forma al núcleo de los átomos a través de los protones y los neutrones. Por su parte, los mesones están formados por un quark y un antiquark. Un ejemplo de mesón pueden ser los piones cuya presencia ha sido muy importante para explicar cómo interactúan y se mantienen unidos los protones y neutrones en el núcleo de los átomos.

Sin la presencia y comprensión de la gran fauna de partículas que pueblan nuestro Universo, seguramente no podríamos entender en profundidad cómo funciona la realidad.

Los quarks, que por cierto vienen en varios sabores y colores y según su combinación ejercen una influencia y características específicas, son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas de la naturaleza que ya hemos mencionado, por que podrían ser como el ADN, o los cimientos básicos, de todo lo que vemos a nuestro alrededor.

Hasta el momento se conocen siete tipos de quarks y mencionarlos y hablar de sus características me llevaría mucho tiempo.

En 1965, Gell-Mann propuso la idea de hadrones hipotéticos formados por más de tres quarks, como los tetraquarks (formados por cuatro quarks) y los penatquarks (formado por cinco quarks). La existencia de los pentaquarks fue demostrada en julio de 2015 gracias a los experimentos llevados a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones que se encuentra cerca de Ginebra, Suiza.

Un Colisionador de Hadrones funciona gracias que se hacen chocar protones a muy altas energías para luego ver los resultados que surgen a partir de esos tremendos choques que, en sí mismos, no son tan espectaculares porque suceden a nivel atómicos, pero que nos dicen mucho sobre la naturaleza de las cosas.

Cuando dos protones colisionan a tan altas energías y velocidad, producen partículas aún más pequeñas -pero más energéticas- que son detectadas por inmensas y potentes computadoras gracias a campos magnéticos muy poderosos que son generados al interior de los mastodónticos tubos de metal, de varios kilómetros de diámetro, donde se llevan a cabo estas colisiones.

Pero ¿qué es lo que provoca que los quarks se mantengan unidos y no se separen cuando se agrupan en dos o tres o más quarks?

Pues resulta que las partículas que unen a los quarks llevan el exótico nombre de “gluones”, que viene de la palabra inglesa “glue”, que es pegamento.

Aunque su existencia no ha sido comprobada experimentalmente, se cree que estas diminutas partículas no tienen masa y poseen carga de color como los quarks. Además, son muy difíciles de detectar porque, al contrario de las fuerzas electromagnética y gravitatoria, si a los quarks los intentásemos separar, sería un hecho muy difícil debido a que el campo de color jala de ellos con mucha fuerza. El campo de color viene determinado, justamente, por los gluones que forman una especia de muelle que siempre intenta volver a su longitud inicial.

¿Y existe algo más allá de los gluones que determinen con mayor profundidad la realidad del mundo físico a nivel atómico y subatómico?

Desde los años setenta se habla nada más y nada menos que de una teoría de cuerdas que dice, a grandes rasgos, que en realidad las partículas que observamos, por ejemplo un electrón, no se encuentran en una sola dimensión -no son simples puntos como se piensa- sino que operan en cuatro o más dimensiones (se llega a hablar de hasta once dimensiones) y vibran como si fueran las cuerdas de un violín. La frecuencia es lo que determina que surjan partículas de un tipo o de otro, haciendo que el universo tenga la diversidad y complejidad que tiene.

El problema con la teoría de cuerdas surge porque, hasta el momento, no hay manera de comprobarla experimentalmente, aunque sus defensores arguyan que se podría convertir en una de las teorías que hagan más predicciones exactas sobre el funcionamiento de la realidad, pero hasta el momento esto no ha sucedido.

Por su parte, Murray Gell-Mann, nos ha dejado un legado muy importante en lo que respecta a la comprensión de los fenómenos físicos que se producen a nivel subatómico. Fue capaz no solamente de bautizar a los quarks sino, también, de allanar el camino para otros físicos en la búsqueda de una teoría final que permite unir a las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, algo que hasta ahora no ha podido lograrse debido a que la fuerza de gravedad (que actúa en el mundo macroscópico) y la mecánica cuántica (que lo hace a nivel microscópico) no se llevan muy bien. En otra ocasión explicaremos el motivo por el cual no se han podido unificar.

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