¿ Pueden escapar los quarks del núcleo ?
( Publicado en Revista Creces, Octubre 1999 )
Después del Big Bang, los quarks quedaron encarcelados en el núcleo. ¿Será posible que ahora, en alguna parte del universo estén libres?
Los físicos piensan que en el instante de la gran explosión (Big Bang), el calor era tal que no existían los núcleos atómicos. En ese entonces todo estaba formado por las subpartículas llamadas quarks y gluones. Pero este reinado duró muy poco tiempo (sólo 10 microsegundos). Ello porque el Universo comenzó a enfriarse y como consecuencia, se formaron los núcleos (protones, neutrones y partículas más exóticas), dejando encerrados dentro de ellos a los quarks y gluones. El sueño de los físicos ha sido tratar de liberarlos, pero hasta ahora han fracasado. Al menos en teoría, piensan que si las partículas del núcleo se pudieran presionar lo suficiente, los quarks que ellos contienen se liberarían de nuevo, formándose la primitiva asociación quarks-gluones.
Pero ahora piensan que tal vez en alguna parte del Universo, donde habría densas aglomeraciones de materia, podrían estar los quarks libres. Tal es el caso de las estrellas que se han colapsado bajo la fuerza de su propia gravedad hasta llegar a constituirse casi exclusivamente por neutrones (estrellas de neutrones). En su interior podrían darse las condiciones para que se liberaran los quarks.
Podría ser, ellos piensan, que en el centro de estas estrellas colapsadas, la presión fuera tal que ya no correrían las leyes de la física nuclear convencionales. Se produciría así lo que ellos han llamado "desconfinamiento". Pero en realidad, poco se sabe lo que sucede allí en su interior.
Recientemente físicos del Institute for Advanced Study en Princentony, New Yersey, junto a físicos del Massachussetts Institute of Thecnology en Cambridge, comunicaron que tenían un nuevo enfoque que les permitía conocer mejor las condiciones en que podrían liberarse los quarks. En tal caso, el conocimiento de la energía y la densidad, son los factores cruciales: cuán caliente y apretadas están las partículas dentro de las estrellas de neutrones es lo que no se sabe.
Los investigadores han calculado que la mayor parte de las estrellas de neutrones tienen una densidad entre 1.4 y 1.5 veces superior a la del Sol, y sospechan que sus masas se condensan más o menos en un diámetro de 10 kilómetros. Como sucede en la mayor parte de los planetas y estrellas, la densidad es menor en la superficie y se va incrementando hasta llegar a un máximo en su centro, donde los neutrones estarían más apretados.
Por otra parte, los físicos saben que en un núcleo atómico normal, los neutrones y protones están en una situación relativamente laxa. Es decir, en un núcleo normal habría un tercio de partículas y dos tercios de espacio libre. Es este espacio el que se reduce, cuando aumenta la presión, hasta que todo queda en un estado compacto. Los astrofísicos sospechan que la densidad que se produciría en el núcleo de una estrella de neutrones estaría cerca de este valor, por lo que se darían las condiciones para la liberación de los quarks.
Densidad crítica
Desgraciadamente no se sabe cuán dura y apretada está realmente una estrella de neutrones. Las fuerzas repulsivas que se oponen al colapso total vienen de la interacción de las partículas nucleares, especialmente neutrones, que constituyen la estrella. Los físicos tienen una idea de estas fuerzas nucleares cuando están comprometidas sólo unas pocas partículas, pero es imposible calcularlas en un mar de partículas. En todo caso, las condiciones en el núcleo de una estrella de neutrones, estarían cercanas a la densidad crítica. Pero no se sabe si la excede.
Ante esta imposibilidad se buscan evidencias indirectas. Los investigadores asumen que una estrella que tenga quarks en su núcleo debería verse diferente de una que no los tenga. En ese caso habría que buscar cuál es la diferencia. Estas deberían provenir, no de su superficie, como serían los típicos rayos X que ella emite, sino del corazón de la estrella. Para ello hay dos candidatos: medir la forma en que ella se enfría o la forma en que gira.
Las primeras etapas de enfriamiento de una estrella de neutrones se producen por la emisión de neutrinos: partículas nubosas rápidas, que se desprenden cuando un protón y un electrón se unen para formar un neutrón. En los primeros millones de años de su existencia, cuando la estrella está caliente, salen del núcleo los neutrinos en forma rápida y furiosa. Con el tiempo, cuando ya quedan menos protones y electrones que combinarse, comienza a disminuir la cascada de neutrinos, y en estas condiciones el enfriamiento de la estrella se produce principalmente por la emisión de rayos X de su superficie.
Los científicos piensan que la materia de quarks debería generar una considerable mayor cantidad de neutrinos, en relación a lo que sucede en una materia nuclear ordinaria. Como resultado, asumen que una estrella de neutrones joven con quarks en su núcleo, debería enfriarse más rápidamente que aquella que sólo tiene neutrones. Claro que "rápidamente" es un tiempo relativo, ya para observar como se enfría una estrella de neutrones, tomaría cientos de miles de años. Pero los astrofísicos piensan que midiendo la edad y la temperatura de muchas estrellas de neutrones que ya se conocen, se podría construir una curva de enfriamiento para una estrella de neutrones típica. En el momento actual es difícil hacerlo, ya que no se han calculado con precisión, ni la edad ni la temperatura de las estrellas de neutrones. Pero esperan que en el futuro sí se pueda hacer, en los próximos dos años, cuando mejores y nuevos satélites se lancen al espacio.
En cambio, es más fácil medir la forma en que rota la estrella. Algunas estrellas de neutrones giran furiosamente, empujadas por la explosión que les dio nacimiento, o por la atracción gravitacional de objetos cercanos, incluyendo otras estrellas de neutrones. Estas estrellas de neutrones giratorias, conocidas como "pulsares" (que se detectan por radiotelescopios), lanzan señales tan regulares, que los astrónomos pueden medir su velocidad de rotación hasta con 13 decimales.
Algunos científicos esperan que los cambios de estos ritmos puedan ser una evidencia de la existencia de quarks en su núcleo. Según Noman Glendenning, un astrofísico de Lawrence Berkeley National Laboratory en California (New Scientist, Mayo 15, 1999), ello es fácil de detectar. Veinte minutos de observación con un radiotelescopio podría señalar si alguna está en progreso. Habría que enfocar un pulsar de milisegundos, que no tuviera compañera que cambie su rotación. Según sus cálculos, se podría notar la diferencia y construir una curva si se pudieran observar 50 pulsares calificados. Pero desgraciadamente hasta ahora sólo se han observado 25 pulsares calificados, por lo que habría que esperar que en el futuro se calificaran los otros. Por ahora la duda persistirá acerca de si se pueden liberar los quarks o no y si éstos están libres en el núcleo de las estrellas de neutrones.
ESTRUCTURA DEL NUCLEO ATOMICO
Fue en este siglo que se descubrieron las partículas subatómicas constituyentes del núcleo atómico, los que en conjunto se han denominado nucleones. Ellos fundamentalmente son los protones y los neutrones. En conjunto constituyen el 99.9% de la materia del mundo que nos rodea. Sólo el 0.1% está constituido por los electrones, que giran alrededor del núcleo.
Entre las décadas del 50 y 60 se descubrió que los protones y neutrones tenían además una estructura compleja. Básicamente estaban constituidos por quarks, de los cuales existen tres especies: los llamados quarks arriba, abajo y extraños. Un protón típico consiste de dos quarks arriba y un quark abajo. El neutrón en cambio, tiene un quark arriba y dos abajo. Muchas de las propiedades de los nucleones se derivan de las propiedades combinadas de sus quarks constituyentes. Así por ejemplo, la carga eléctrica de un protón corresponde exactamente a la suma algebraica de las cargas de los quarks:
+ 1 = 2/3 + 2/3 - 1/3
Comprobar la existencia de los quarks no fue fácil. Todos los esfuerzos por observarlos fallaron y muchos físicos llegaron a aceptar su existencia sólo por conveniencias matemáticas, sin considerar que fueran objetos reales que podían ser estudiados. Sin embargo, al finalizar la década del 60, en un trabajo colaborativo de físicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), pudieron obtener la primera evidencia de que los quarks sí eran objetos reales. En un acelerador hicieron pasar un rayo de electrones de alta energía a través de hidrógeno líquido. El hidrógeno tiene en su núcleo un solo protón, de modo que al usar el hidrógeno como objetivo y bombardearlo con un rayo de electrones, era como bombardear a un protón puro.
Observaron que durante el proceso, algunos electrones se esparcían como si hubiese pequeños puntos duros de carga dentro de los protones que los desviaban. Por ello concluyeron que los quarks eran objetos reales. Actualmente los físicos hacen esfuerzos por liberar los quarks de su prisión dentro del protón (Ver artículo: Un hoyo negro se podría tragar la Tierra). (Un hoyo negro se podría tragar la Tierra).
Hoy día sabemos que en los nucleones existe también una incesante danza de partículas evanescentes, que se mueven entre existir y no existir. Algunos de ellos son los gluones, las partículas responsables de la "fuerza fuerte". Los tres quarks que constituyen el nucleón (conocidos como quarks de valencia), intercambian gluones adelante y atrás, y el efecto que ejercen es como el de una fuerte goma que mantiene los quarks unidos. (Glue-balls, por Franck Close y Philip Page. Scientific American, Noviembre 1998).
Junto con los tres quarks de valencia y los gluones, existen también los quarks virtuales de vida corta y los antiquarks que se materializan y desaparecen en pares, contribuyendo todos ellos a dar las propiedades de los nucleones.
Una propiedad de enorme importancia es el "spin" (girar), que es una forma natural de momento angular. Todas las partículas que forman un núcleo tienen spin y en alguna forma los espines de todas ellas condicionan el spin total del nucleón. A primera vista los tres quarks modelos de un nucleón serían responsables de su spin. Pero dos quarks pueden tener un eje de spin opuesto por lo que se anulan, y sólo el spin del quark restante es el que produce el spin que se observa en el nucleón. Es muy probable que todos los gluones y los pares de quarks virtuales y antiquarks tengan spin, que sumados y restados, terminan en cero.
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