Ayer, 15 de agosto, participé en el Espacio Naukas del programa Esto me suena, con David Sierra, de Radio Nacional de España (RNE). Puedes escuchar el audio en este podcast entre el minuto 15:10 y el 29:00. He hablado sobre quarks, un pequeño homenaje a Murray Gell-Mann (1929–24/may/2019) en este año, el de la tabla periódica de los elementos. He tratado de resumir sus propiedades más destacadas sin olvidar que las partículas son excitaciones de campos cuánticos. Quizás el nivel ha sido un poco más elevado de lo habitual en el Espacio Naukas, pero creo que no ha quedado tan mal. Permíteme una transcripción libre del audio.

Espacio Naukas entre 15:10 y 29:00.

¿De qué está hecha la materia? El año 2019 es el año internacional de la tabla periódica de los elementos. Se conmemora el 150 aniversario de la gran obra del químico ruso Dmitri Mendeleev. Hoy en día conocemos 118 elementos químicos, cada uno ellos es una sustancia constituida por un solo tipo de átomos. Cada átomo está formado por cierto número de electrones de carga negativa ligados a un pequeño núcleo atómico, que a su vez está formado por el mismo número de protones de carga positiva, junto a un número igual o mayor de neutrones sin carga eléctrica.

Los electrones, protones y neutrones que forman los átomos, ¿son partículas elementales o están hechas de partículas más elementales? Hasta donde sabemos a día de hoy, los electrones son partículas elementales. Sin embargo, hace unos 50 años se observó que los protones y los neutrones, que se encuentran en el núcleo de los átomos, están compuestos de partículas más elementales llamadas quarks. El protón y el neutrón son partículas compuestas por tres quarks de valencia fuertemente ligados entre sí; en concreto, el protón está formado por dos quarks de tipo arriba y un quark de tipo abajo, y el neutrón por dos quarks de tipo abajo y un quark de tipo arriba. Hoy en día todas las evidencias científicas indican que los electrones y los quarks son partículas elementales y que no están formados por partículas más elementales, que en su caso se llamarían preones.

En español la quark se pronuncia “cuark” pero en inglés se suele pronunciar “cuork”, ¿por qué se pronuncia así? El físico Murray Gell-Mann, Premio Nobel de Física en 1969, que falleció el pasado 24 de mayo a los 89 años, fue quien les puso ese nombre. Gell-Mann era un gran aficionado a la lingüística y a la literatura. Al elegir un nombre para las tres partículas que se encuentran dentro de un protón se acordó de la novela humorística de James Joyce titulada Finnegans Wake: el protagonista pronuncia la frase “Three quarks for Muster Mark!“ donde Joyce escribe “quark”, que es el nombre en inglés para el graznido de la gaviota, pero que en la obra de Joyce debe rimar con Cork, la ciudad irlandesa que se encuentra en la provincia de Munster, donde vive el protagonista. Así Gell-Mann quería que “quark” se pronunciara acabado en ‘-ork’ en lugar de acabado en ‘-ark’, como se pronunciaría si la leemos en español.

Los átomos son neutros para la carga eléctrica porque su número de protones de carga positiva es igual al de como electrones de carga negativa. Los electrones están ligados al núcleo porque las cargas opuestas se atraen. Ahora bien, si las cargas iguales se repelen, ¿cómo es posible que los protones en los núcleos no se repelan entre sí? La razón es que los protones y los neutrones de los núcleos están unidos entre sí por una fuerza mucho más fuerte que la fuerza eléctrica ente los protones. Esta fuerza tiene su origen en la fuerza que une a los quarks dentro de los protones y de los neutrones.

Volviendo a los quarks, el protón tiene carga eléctrica positiva, si está formado por dos quarks arriba y un quark abajo, ¿qué carga eléctrica tienen estos quarks? Los quarks son partículas parecidas al electrón, pero que tienen carga eléctrica fraccionara. El quark abajo tiene un tercio de la carga eléctrica del electrón, y el quark arriba tiene dos tercios de la carga del electrón, pero de signo opuesto. Así el protón tiene la misma carga eléctrica que el electrón, pero positiva, sumemos +2/3+2/3-1/3=+1, y el neutrón carece de carga eléctrica porque +2/3-1/3-1/3=0.

Siempre se ha dicho que la unidad de carga eléctrica es la carga del electrón, que es igual a la carga del protón, pero de signo opuesto. ¿Cómo es posible que haya partículas con carga eléctrica fraccionaria? Pues así es, la unidad de carga eléctrica no es la carga del electrón, como se pensaba antes del descubrimiento de los quarks, sino que es la carga del quark abajo. Así la carga del electrón es tres veces más grande que la carga del quark abajo y la carga del quark arriba es dos veces más grande y de signo opuesto a la del quark abajo.

Si la corriente eléctrica en un cable es debida al movimiento de los electrones, ¿hay cables por los que se pueda mover una corriente de quarks? No, no existen cables para las corrientes de quarks; si los hubiera los quarks se habrían descubierto hace mucho más de 50 años. Los quarks están confinados dentro de partículas compuestas llamadas hadrones, que son de dos tipos, bariones, como el protón y el neutrón, formados por tres quarks, y mesones, como el pión y el kaón, formados por dos quarks. Los quarks están confinados en los hadrones porque están ligados entre sí por una fuerza muy fuerte. Como sabes un electrón aislado produce un campo eléctrico en el vacío que tiene a su alrededor. De igual forma, un quark aislado produce un campo fuerte en el vacío a su alrededor, pero este campo es tan fuerte que tiene energía suficiente para producir nuevos quarks a partir de ese vacío. Así el quark deja de estar aislado y se hadroniza, es como si el quark estuviera desnudo y el vacío que le rodeara la vistiera como hadrón para evitar su desnudez.

Pero el vacío está vacío, no tiene partículas, ¿cómo es posible que una fuerza muy fuerte pueda generar nuevas partículas a partir del vacío? Uno de los descubrimientos más fascinantes de la física de la segunda mitad del siglo XX es que el vacío es una sustancia. En la carrera de Física, los físicos estudiamos la física de las partículas en una asignatura llamada teoría cuántica de campos. La razón es que las partículas no son objetos fundamentales, sino que son excitaciones o vibraciones con cierta energía, que están localizadas cierta región del espaciotiempo de un objeto más fundamental llamado campo cuántico. Las partículas como el electrón y los quarks son las excitaciones de tipo partícula de sus correspondientes campos cuánticos.

Si lo he entendido bien, eso que se llama campo cuántico puede vibrar como la membrana de un tambor; cuando se golpea la membrana del tambor el sonido que genera equivale a una partícula y cuando la membrana está en reposo se encuentra en estado de vacío. Un tambor es una muy buena analogía, pero la física cuántica es un poquito más complicada. En el estado de vacío la membrana también vibra, pero con una energía menor que cierto umbral. Las partículas como el electrón y los quarks tienen cierta masa, que equivale a cierta energía según la fórmula de Einstein E=mc². Las excitaciones del campo cuántico se comportan como partículas cuando tienen una energía mayor que la masa de dichas partículas. Cuando la energía de la excitación tiene menos energía que la masa no se observan partículas, sino el estado de vacío del campo. Así un campo tan fuerte como el que rodea un quark desnudo puede darle energía a las vibraciones del vacío que le rodean y producir nuevos quarks que le vistan como un hadrón. A las vibraciones del vacío se les suele llamar partículas virtuales porque en este tipo de procesos físicos se pueden transformar en partículas. Así se explica la hadronización de los quarks.

¡Qué complicado! Volvamos a los tres quarks confinados dentro del protón. ¿Cómo sabemos que existen los quarks si la fuerza fuerte impide que se puedan observar fuera de un protón? En 1911 el físico Ernest Rutherford descubrió que los átomos tienen un núcleo muy pequeño en su interior bombardeando una delgada lámina de oro con partículas alfa producidas por una sustancia radioactiva. La mayoría atravesaba la lámina como si fuera transparente, pero a veces rebotaban hacia atrás como si hubieran chocado con algo muy duro, el núcleo del átomo. Hace unos 50 años se repitió este experimento bombardeando protones con electrones de muy alta energía (más de 50 veces la energía correspondiente a la masa del protón); la mayoría atravesaba el protón, pero algunos rebotaban hacia atrás como si hubieran chocado con pequeñas partículas en el interior del protón parecidas al electrón. Al principio se llamó a estas partículas partones, porque no se sabía lo que eran, pero más tarde se descubrió que tenían carga eléctrica fraccionaria y se comprobó que eran los quarks concebidos por Gell-Mann.

La fuerza eléctrica que une los electrones y los núcleos de los átomos es debida a la carga eléctrica. Los tres quarks dentro un protón tienen carga eléctrica, pero has dicho que están unidos entre sí por una fuerza fuerte. ¿Tienen los quarks algún tipo de carga que sea responsable de la fuerza fuerte? Todas las fuerzas fundamentales están asociadas a cargas. Los quarks, además de la carga eléctrica, también tienen otra carga, llamada hipercarga de color. Hay tres tipos de hipercarga de color, llamadas roja, verde y azul, como los colores. La fuerza fuerte es muy fuerte a distancias del tamaño de un protón, lo que impide que haya quarks fuera del protón. Sin embargo, a distancias mucho más pequeñas que un protón esta fuerza es muy débil y los quarks se comportan como partículas libres. Este fenómeno se llama libertad asintótica, fue descubierto en 1973 y recibió el Premio Nobel de Física en 2004. Podemos explorar el interior de un protón usando electrones de muy alta energía gracias a esta propiedad de los quarks que hace que se comporten como partículas libres dentro de un protón.

La carga eléctrica puede ser negativa (como la carga eléctrica del electrón) y positiva (como la carga eléctrica el protón). Los átomos son neutros porque tienen la misma carga eléctrica negativa en sus electrones que la carga positiva que tienen sus núcleos. Si los protones y los neutrones son neutros para la hipercarga de color, ¿también hay hipercarga de color positiva y negativa? Pues así es, pero en lugar de hipercarga de color positiva y negativa, los físicos los llamamos color y anticolor. Así un quark puede tener hipercarga de color roja, pero también puede tener hipercarga de color anti-roja; a los quarks con anticolor se les llama antiquarks, porque también tienen carga eléctrica fraccionaria de signo opuesto y son la antipartícula del quark. Pasa lo mismo que con el electrón, que tiene carga eléctrica negativa, y tiene una antipartícula con carga eléctrica positiva, que se llama positrón. Los quarks con color tienen antipartículas llamadas antiquarks con el correspondiente anticolor. Así hay partículas compuestas que son neutras para la hipercarga de color porque están formadas por un quark y un antiquark, de color y anti-color opuestos. Se llaman mesones, como el pión y el kaón.

Fascinante, pero el tiempo manda en la radio. Puedes escucharlo en iVoox.