Yendo hacia atrás milliones de años se piensa que el Universo era un plasma, una especie de sopa de quarks y gluones. Algo así como la sopa originaria. Unidos por gluones, que como el nombre indica hacen de pegamento, tríadas de quarks forman hoy los protones y los neutrones, es decir los constituyentes de los núcleos atómicos. El hecho de que sean tres quarks los que forman los núcleos, ¿tiene algo que ver con que haya tres dimensiones espaciales?
Los quarks, aunque sean partículas elementales, no se les ha encontrado nunca en estado libre. Sólo vienen en parejas o en tríadas. ¿Porqué? ¿En qué sentido son elementales, si nunca han sido vistos de forma aislada?
Hasta ahora se desconoce que los quarks tengan estructura y en ese sentido son verdaderamente elementales. En la sopa originaria se supone que sí estaban en estado libre junto con gluones libres. Sin embargo por el momento no se ha conseguido detectar quarks libres yendo a energías cada vez más altas y por lo tanto creando colisiones cada vez más fuertes para intentar romper lo que los une.
Cuando uno trata de romper esa unión entre quarks, lo que ocurre es que se crean nuevos quarks. Un fenómeno en ese sentido similar a cuando se rompe un imán que tiene un polo norte y un polo sur. Inmediatamente se crea un nuevo polo norte y un nuevo polo sur en cada uno de los trozos ¿Quizás se haya llegado a un límite en el cuál no se puede considerar a las partículas de forma separada?
El hecho de que no se les encuentra en estado libre se explica mediante lo que se llama el confinamiento de color. Los quarks a parte de carga eléctrica, tienen una carga de color. No estamos hablando de colores en el sentido literal de la palabra, pero la idea intuitiva es que siempre tienen que aparecer “blancos” y para eso se tienen que juntar varios quarks de diferentes colores, como por ejemplo rojo, azul y verde. La idea es la misma, porque estos tres colores juntos “suman” blanco.
Los quarks en la naturaleza sólo aparecen si sus cargas de colores suman blanco. De ahí viene que a la dinámica de los quarks se le llame cromodinámica. Si no se les ha visto nunca aislados, ¿porqué se parte de su existencia?
En realidad, la cuestión es similar a la existencia de los átomos. La hipótesis del átomo permitió explicar una serie de fenómenos mucho antes de que se observasen empíricamente. La hipótesis de los quarks lo que ha permitido, es “poner orden” en un zoo inmenso de cientos de partículas, que se iban descubriendo en los aceleradores de partículas. Suponiendo la existencia de 6 tipos diferentes de quarks y otras 6 partículas elementales llamadas leptones se puede explicar esas cientos de partículas que han ido apareciendo.
Los físicos norteamericanos Murray Gell-Mann y George Zweig crearon de manera independiente el modelo de los quarks y los predijeron en 1964 hace exactamente 50 años. Cuatro años después
el modelo fué corroborado en el SLAC, un acelerador de partículas en Stanford, California. Desde entonces se han ido encontrando todos los tipos de quarks y se detectan diferentes partículas con las propiedades esperadas.
Aunque se ha aprendido mucho desde entonces, se sigue sin entender varias cuestiones.
Existen 6 tipos de quarks, que generalmente se presentan en tres parejas o “familias”. Se llaman arriba y abajo, extraño y encantado y fondo y cima. En realidad los primeros son los importantes en la formación de la materia que conocemos, dado que forman los protones y neutrones. Los otros cuatro tipos fueron postulados una vez establecido el modelo y han sido detectados, aunque sea de manera indirecta. Esto hace que el modelo haya cobrado fuerza, de la misma manera que cuando se iban descubriendo elementos químicos en los “huecos” de la tabla periódica, que por la lógica de la tabla tenían que existir.
Pero se desconoce el porqué de la existencia de tres familias. El hecho de que sean tres quarks unidos los que sean el ingrediente principal de la materia, ¿tiene relación con la existencia de tres dimensiones espaciales? En tal caso el confinamiento de color, es decir el hecho de que los quarks tengan que aparecer de manera incolora, ¿se podría interpretar como un aspecto de la unidad del espacio? Ésto ya es una especulación algo atrevida del autor. Pero si el Universo en un primer momento era una sopa de quarks y gluones, resulta lógico pensar que la estructura de los quarks ha tenido que tener influencia en la forma y en la geometría del Universo y/o vice versa.
Por otra parte desde hace tiempo supuestamente se han detectado tetraquarks y pentaquarks, es decir un conjunto de 4 y 5 quarks unidos. El campo de los físicos de partículas está dividido ante esta cuestión. Unos parten de que la existencia de estas aglomeraciones hace que el modelo de los quarks tenga que ser revisado y los otros parten de que en realidad se trata de una especie de compuesto de parejas de quark o una pareja y una tríada de quarks.
Yendo hacia el pasado millones de años, las temperaturas son cada vez más altas y la idea que se tiene es que en algún momento en vez de tener a quarks unidos o confinados, estarían en una sopa, un plasma de quarks y gluones libres. Partiendo de esta hipótesis, entender bien las propiedades de las partículas elementales puede contribuir a entender el estado en el que se encontraba el Universo antes del Big Bang. Diferentes grupos de investigación lo que tratan es de crear ese plasma y por tanto en cierta manera recrear la sopa originaria.
No se sabe si la transición del estado confinado al plasma ocurre de manera continua o si hay un salto. No está claro ni teóricamente. El problema es que la teoría que describe la interacción entre los quarks es muy compleja. Para poder obtener una predicción, es decir un número que diga que la transición ocurre a tal temperatura, se tiene que hacer uso de una formulación discreta de la teoría. A grosso modo lo que se hace teóricamente es dividir el espacio en trozos pequeños y calcularlo para cada trozito. A este área de la física teórica se le llama “cromodinámica en el retículo” por esa razón.
¿De dónde proviene el nombre quark? A Gell-Mann el hecho de que haya que combinar tres quarks le recordó un pasaje de la obra literaria “Finnegans Wake” del poeta y novelista irlandés James Joyce que dice: “Three quarks for Muster Mark.” En este libro el autor retuerce palabras con fines literarios y en este caso quark hace referencia al grito de una gaviota. Hubo otras propuestas para nombrar a las partículas recien postuladas entonces, pero fué la onomatopeya retorcida la que triunfó. En realidad pues, el nombre es bastante arbitrario y no tiene demasiado sentido. Quizás porque diferentes propiedades de las partículas parecían extrañas, pegaba darles un nombre
extraño. Sigue teniendo sentido, porque aunque el modelo de los quarks ha contribuído a entender las partículas elementales, sigue habiendo preguntas fundamentales abiertas.
Escrito en 2014 en De Verdad: https://www.deverdadtv.es/ciencia/el-grito-de-una-gaviota-y-la-sopa-originaria/
