Acerca de los quarks
¿Qué hay dentro de un átomo? ¿Qué hay dentro de un protón? Son preguntas que se hacen los físicos, que buscan entender la materia en su nivel más fundamental.
Un átomo contiene un núcleo, formado por protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones. Los experimentos que profundizan en la materia descubren que los electrones no muestran ninguna estructura, pero los protones y los neutrones sí. Contienen partículas fundamentales llamadas quarks, que se atraen con tanta fuerza que no pueden existir como partículas libres en condiciones ordinarias. Los cosmólogos teorizan que en las increíbles condiciones que se dieron justo después del Big Bang, los quarks podrían existir libremente en lo que se denomina plasma de quark-gluones, un estado de la materia que algunos físicos de partículas están tratando de crear en el laboratorio. (Ver Derribo de núcleos)
Diagrama de la estructura de quarks de protones y neutrones (diagrama por cortesía del Laboratorio Nacional de Brookhaven)
¿Cómo sabemos que los quarks existen? Tenemos que inferirlo a partir de mediciones indirectas, ya que no podemos observar un quark libre. Por ejemplo, cuando los electrones de muy alta energía colisionan con los protones, la distribución de las partículas después de la colisión muestra que hay partículas diminutas dentro de los protones.
Los quarks se presentan en seis evocadores «sabores»: up, down, strange, charmed, bottom y top, y para cada uno de ellos existe un antiquark. (Véase El zumbido de la antimateria)
Las combinaciones de los quarks up y down forman las partículas nucleares -dos quarks up y uno down para el protón, y un quark up y dos down para el neutrón, como se muestra en el diagrama. Las cargas de los quarks se combinan para dar la carga del protón y del neutrón, como se muestra a continuación y en la tabla.
Protón = quark up + quark up + quark down
Carga del protón:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutrón = quark up + quark down + quark down
Carga del neutrón:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
Otro tipo de partícula, el mesón, está compuesto por dos quarks o, más concretamente, por un quark y un antiquark. Por ejemplo, el pi-plus es un quark up y un antiquark down. Esto nos da dos tipos de partículas formadas por quarks: las partículas subatómicas nucleares (el protón y el neutrón) y los mesones. ¿Podría haber más?
Investigación
Según el Modelo Estándar, los protones, neutrones, pi-mesones y otras partículas relacionadas están compuestas por varias combinaciones de quarks. En esta teoría, una partícula formada por cinco quarks -el pentaquark- es posible. Hay un viejo dicho en física que dice: «Todo lo que no está prohibido es necesario». Quizás con esto en mente, los físicos llevan 30 años buscando la partícula de cinco quarks. En 1997 esta búsqueda recibió una nueva dirección con la predicción de tres físicos rusos de que el pentaquark formado por dos quarks up, dos quarks down y un quark antiextraño tendría aproximadamente 1.5 veces la masa del protón y podría ser detectado con la tecnología actual de física de partículas.
La producción de un pentaquark a través de la absorción de un rayo gamma (wiggly line) por un núcleo. El pentaquark decae tan rápidamente que no puede ser observado, por lo que su existencia debe inferirse a partir de las observaciones de los rayos gamma y de los mesones K+ que se producen cuando el pentaquark decae (imagen cortesía de Physics News Graphics, American Institute of Physics).
El detector de mesones K en el Laboratorio Jefferson (JLab), uno de los laboratorios donde se observó el pentaquark (foto cortesía de Greg Adams, Laboratorio Jefferson).
El pentaquark se produce al bombardear núcleos ligeros con rayos gamma de alta energía, como se muestra en el diagrama. El pentaquark en sí no puede ser detectado, ya que sólo vive entre 10 y 20 segundos antes de decaer en un neutrón y un mesón K+ (véase la parte superior derecha del diagrama). Las observaciones del mesón y de los rayos gamma establecieron la presencia del pentaquark, y tres experimentos adicionales han confirmado este resultado.
Este nuevo y exótico tipo de partícula ha causado un gran revuelo en el mundo de la física. Como suele ocurrir, el descubrimiento ha suscitado nuevas e interesantes preguntas, pues resulta que la propia teoría que llevó a los experimentadores a su descubrimiento no predice correctamente todas las propiedades de los pentaquarks. Ya ha aparecido una teoría competidora, y dado que ambas teorías predicen partículas aún no descubiertas, y con masas diferentes, los experimentos futuros podrían resolver este desacuerdo. En cualquier caso, es un momento emocionante en la física de partículas.
Enlaces
Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
- La aventura de las partículas
Acelerador lineal de Stanford
- Teoría de partículas
El Exploratorium/CERN
- El modelo estándar
Construcción del detector del Jefferson Lab (foto cortesía del Jlab/Departamento de Energía).
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