El ser humano al intentar comprender la naturaleza busca explicaciones que sean lo más simples posibles. Esto no quiere decir que se niegue la complejidad, por ejemplo, de un proceso biológico o de una estructura molecular, sino que para interpretar tales fenómenos se proponen teorías o modelos basados en una mínima cantidad de principios básicos que sean capaces de explicar lo observado y predecir lo aún no descubierto. Un ejemplo perfecto en esta búsqueda de explicaciones simples ha sido -y es hoy día-, el estudio de los constituyentes básicos de la materia. El objetivo de este campo de investigación dentro de la física es descubrir cuáles son y a qué leyes obedecen las partículas elementales que forman la materia. Partícula elemental quiere decir una partícula sin estructura interna, que no se puede romper en otras más simples.

La materia es todo lo que nos rodea, el aire, las piedras, el agua, los metales, nuestro propio cuerpo. Ya en Grecia, hace unos dos mil quinientos años, había quien se preguntaba qué ocurriría si se tomaba una cantidad cualquiera de un material y se la dividía en trozos cada vez más pequeños. La respuesta propuesta por Demócrito fue que eventualmente se llegaría a una cantidad muy pequeña, imposible de dividir nuevamente, una unidad básica indivisible a la que llamó átomo (a = sin; tomos: parte).

Fue sólo a comienzos del siglo XIX que la visión atómica de la materia volvió a ser centro de interés científico, esta vez gracias a experimentos realizados por los químicos europeos, Lavoisier y Dalton. El primero descubrió que algunas sustancias conocidas estaban compuestas de otras más simples que siempre se combinaban en iguales proporciones para formar las primeras. Los elementos simples son pocos (hoy día conocemos unos 90), pero sus posibles combinaciones dan origen a la gran variedad de sustancias conocidas. Un ejemplo es el agua, cuyas moléculas están siempre formadas por dos partes de hidrógeno y una de oxígeno. Lo que Dalton comprendió fue que estas combinaciones demostraban que los elementos "simples", hidrógeno u oxígeno en el ejemplo mencionado, están compuestos de átomos. Una cantidad cualquiera de un elemento consiste de muchísimas partículas, todas iguales entre sí, caracterizadas por su peso, y diferentes de aquellas que constituyen otro elemento. Dalton estaba seguro de que estas partículas eran elementales, que no podían transformarse unas en otras, y en honor a Demócrito las llamó átomos.


El núcleo

A fines del siglo pasado J.J. Thomson descubrió el electrón y este hecho abrió las puertas a una nueva etapa en el conocimiento de la materia: se había descubierto que el átomo no es indivisible, sino que está formado por partículas más "elementales" que él, entre ellas el electrón. Todos los átomos tienen electrones y son estas partículas cargadas, mucho más livianas que el átomo completo, las responsables de las propiedades químicas de los diferentes elementos. Comenzando nuestro siglo, los experimentos de E. Rutherford y sus alumnos en Inglaterra completaron la primera imagen de la estructura del átomo al descubrir que en el centro de cada uno de ellos existe un núcleo. Este núcleo es miles de veces más masivo que los electrones y alrededor de él giran éstos atraídos por la tuerza eléctrica. Cerca de 1930 los resultados experimentales del matrimonio Joliot-Curie, en Francia, y de Chadwick, en Inglaterra, revelaron que el núcleo atómico está formado por dos tipos de partículas, muy parecidas entre sí, llamadas protones y neutrones. Estas, junto a los electrones, constituían -hace 50 años- las tres "partículas elementales" de la materia.

A partir de 1932 el interés por comprender mejor la estructura y las leyes que gobiernan las reacciones entre núcleos atómicos había llevado a los físicos a construir aceleradores de partículas en que se producían choques entre núcleos que viajaban con velocidades cercanas a la velocidad de la luz. El análisis de estos experimentos pronto demostró que durante las interacciones nucleares una parte de la energía se transformaba en masa creándose nuevas partículas, diferentes a las tres conocidas, con tal variedad de propiedades, que en 1960 la lista de "partículas elementales" ya tenía unos veinte miembros.


Quarks

En 1964 dos físicos propusieron simultánea e independientemente un modelo simple que permitía comprender las propiedades de todas las partículas descubiertas hasta entonces. Murray Gell-Mann y George Zweig se dieron cuenta de que existían ciertas regularidades que se podían explicar suponiendo que todas estas "partículas elementales" -incluidos el protón y el neutrón- no eran tales, sino que estaban formadas por combinaciones de solamente tres partículas -nunca observadas-, a las que llamaron quarks. A la propiedad que distingue un tipo de quark de otro se la llamó "sabor", y el modelo proponía entonces quarks de tres "sabores" diferentes. Los quarks debían tener una característica muy especial: su carga eléctrica era, o bien 2/3, o bien -1/3 de la carga eléctrica del protón. El modelo de Gell-Mann y Zweig fue aceptado con cierto escepticismo, principalmente por el hecho de no haberse detectado jamás una partícula con las características de un quark. Por otro lado, representaba una gran simplificación en el panorama de las partículas elementales. A medida que los aceleradores aumentaban su energía más y más partículas se iban observando y antes de 1970, para que el modelo estuviera de acuerdo tanto con la información experimental como con principios considerados inviolables en las leyes de la física actual, fue necesario agregarles a los quarks una nueva propiedad: el "color".

Ahora cada sabor de quark podía tener uno de tres "colores" distintos. Por cierto que los términos "sabor" y "color" son simplemente nombres dados a ciertas propiedades de las partículas, y no tienen ninguna relación con su significado en nuestro lenguaje diario.


Confinamiento

A comienzos de los años 70 el interés se centró en experimentos destinados a liberar mediante colisiones violentas a los quarks que deberían constituir los protones y neutrones de los núcleos. Se esperaba que la carga eléctrica fraccionaria de los quarks fuese una característica fácil de detectar en un experimento. Pero los resultados de esta búsqueda fueron negativos, y hasta el día de hoy no hay evidencia experimental de la existencia de quarks en estado libre, es decir fuera de un protón o un neutrón. ¿Cómo se puede comprender que partículas que forman parte de un sistema no puedan ser observadas fuera del sistema?. Recordemos que al descubrirse la estructura interna del átomo fue posible observar tanto a los electrones como a los núcleos, y que al estudiarse la composición de estos últimos, los protones y neutrones fueron observados en su estado libre. Respecto a los quarks se llegó a la conclusión de que éstos sólo pueden existir dentro de las partículas que ellos mismos forman, incapaces de ser liberados. Las fuerzas que mantienen a los quarks ligados unos a otros actúan como una banda elástica: los quarks están aparentemente "libres", adentro del protón, por ejemplo, pero apenas sufren una colisión violenta retroceden, la banda elástica "se estira", la fuerza aumenta, y resulta imposible que el quark escape.

Pero, si por principio es imposible observar un quark, ¿Cómo saber si realmente existen o si son simplemente una invención matemática que simplifica la manera de catalogar una lista que ya contiene cientos de partículas?. Fue principalmente en dos laboratorios, el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), en California y el Acelerador del Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), en Ginebra donde durante la década del 70 se realizaron experimentos que comprobaron la existencia de partículas de carga 2/3 y - 1/3 adentro del protón. En el SLAC, haces de electrones viajando prácticamente a la velocidad de la luz, chocaron contra un blanco de protones, y la manera como los electrones se dispersaron después del choque demostró que habían sufrido interacciones con una concentración de carga de tamaño mucho más pequeño que el protón. En el CERN, el haz utilizado fue de partículas llamadas neutrinos, y este experimento permitió medir la carga de los componentes del protón, que resultaron ser 2/3 y - 1/3 tal como lo predice el modelo de quarks. La hipótesis de la existencia de tres "colores" para cada "sabor" también ha sido comprobada experimentalmente, primero en Frascati, cerca de Roma (1970) y luego en Stanford (1974). La Figura 2 muestra resultados de un experimento en que la hipótesis del color está de acuerdo con las mediciones.

En noviembre de 1974, simultáneamente en dos laboratorios de los Estados Unidos, se descubrió una nueva partícula cuyas características no podían ser explicadas a partir de sólo tres "sabores" de quark. Este hallazgo confirmó la existencia de un cuarto tipo de quark, algo que Gell-Mann había mencionado como una posibilidad en su trabajo original, pero que no se había podido comprobar debido a que no se contaba con energía suficiente en los aceleradores. En 1977 se encontró un nuevo quark y en 1984 se anunció la posible existencia del sexto...


Leptones

Además de los quarks que describen la estructura de partículas relacionadas con las fuerzas nucleares, existe otro grupo de partículas elementales a las que no nos hemos referido aún. Son en general más livianas que las anteriores y, casualmente, hasta el momento se conocen cinco y se espera la confirmación de la existencia de la sexta. Estas partículas elementales se llaman leptones y el electrón es una de ellas. La aparente simetría entre quarks y leptones ha llevado a la hipótesis de que existe una relación profunda entre ellos, y que quizás bajo ciertas condiciones extremas de energía se unifiquen las fuerzas naturales y sean posibles mecanismos de decaimiento que permitan la transformación de quarks y leptones entre sí.

En resumen, la lista de partículas elementales consta de media docena de leptones y otra media docena de quarks, cada uno de estos últimos en tres variedades de "color". En total una veintena, cantidad similar a la que llevó a Gell-Mann y Zweig a proponer el modelo de los quarks. El físico paquistaní Abdus Salam ya ha sugerido que quizás los quarks no sean elementales y estén compuestos de un número mucho menor de quarkinos. Pero, ¿Tiene sentido hablar de quarkinos si ni siquiera podemos observar directamente un quark?. Sheldon Glashow, quien compartió con Salam el Premio Nobel de Física en 1979, ha escrito: "Quizás la imposibilidad de encontrar quarks sea el modo como la naturaleza nos dice que hemos llegado tan lejos como se puede". Pero el ser humano nunca aceptará haber llegado al limite sin haber antes solucionado las incógnitas que persisten. Vamos a continuar incansablemente buscando explicaciones, creando modelos, e intentando comprender el mundo que nos rodea del modo más simple posible.



María Ester Brandan S.

Instituto de Física
Universidad Nacional Autónoma de México.


Para saber más


1. Frank Close, "The Cosmic Onion: Quarks and the Nature of the Universe", Heinemann Educational Books, London 1985.

2. H. W. Kendall y W.K.H. Panofsky, "Estructura del Protón y del Neutrón", Sci. American, junio, 1971.

3. S.L. Glashow, "Quarks con Color y Sabor", Scientifican American, octubre 1975.

4. S. Weinberg, "La Desintegración del Protón", Scientifican American, agosto 1981.