Los quarks: ¿son, realmente, partículas fundamentales? (Parte 1)

Durante el tiempo que llevo sin escribir, he estado dándole vueltas a varias cuestiones sobre las cuales no he llegado a profundizar en mi libro, algunas de ellas se refieren a los quarks. Me pregunto, por ejemplo: si son realmente fundamentales (indivisibles), qué encaje tienen los de la segunda y tercera generación del modelo estándar en la teoría de ruedas o si podríamos hacer una mejor descripción física de ellos (más allá de la interpretación matemática actual que las concibe como fluctuaciones localizadas de los supuestos campos cuánticos correspondientes).

Como quizás ya sepas, estoy convencido de que un nuevo modelo coherente e intuitivo del mundo subatómico podría inferirse postulando que los leptones más livianos (electrones, positrones y neutrinos), partículas con una masa aparentemente ínfima que en la actualidad se consideran fundamentales, en realidad tendrían una masa en reposo igual a la de medio protón, justificada por la existencia de un sesgo no descubierto hasta ahora en la interpretación del valor de la masa y la energía en la Teoría de la Relatividad Especial, y serían estructuras funcionales compuestas a las que llamo «ruedas» por la apariencia que tendrían al girar sobre su propio eje de rotación. Los leptones más pesados (muones y taus) y los nucleones (protones y neutrones), serían combinaciones de ruedas surgidas en diferentes interacciones simples que ocurrirían en el seno de ese fluido perfecto, intangible e inmaterial.

desintegración beta
Imagen de la desintegración beta del neutrón en un protón (dos ruedas) y un electrón

Pero claro, al lanzar esta propuesta tan radical, estoy chocando frontalmente con el consenso de la mayoría de la comunidad científica que considera que las hipótesis del paradigma actual, el modelo estándar, están muy bien corroboradas por las observaciones experimentales, cuya precisión en las predicciones ha alcanzado unos niveles sin precedentes, y que otorga el estatus de «partículas masivas fundamentales» a todos los fermiones (quarks y leptones). También chocamos con la idea de que los hadrones (mesones y bariones) están constituidos por dos o tres quarks, dotados de «carga de color» y unidos por gluones (mediadores de la «fuerza fuerte» descrita en Cromodinámica Cuántica). Así que, ya te empiezas a hacer una idea de que, aún en el caso de que yo esté en lo cierto, desmontar este «tinglado», para sustituirlo por un nuevo paradigma que nos ayude a seguir avanzando, va a ser extremadamente dificultoso. Sin embargo, la esperanza es lo último que se pierde y, si todavía sientes curiosidad, voy a seguir exponiéndote más argumentos en defensa de esta idea que me llevarán, al final, a intentar responder las cuestiones que expuse al principio sobre la naturaleza de los quarks.

Para seguir manteniendo la ilusión de que el modelo estándar mantiene su validez intacta, muchos en la comunidad científica se refieren ahora a los dos y tres quarks, que respectivamente constituirían los mesones y los bariones, como: «quarks de valencia», porque ya disponen de suficientes pruebas de que no son sólo dos o tres, sino muchísimos más, los quarks que integran todos los hadrones. Esto ayuda a entender el valor de sus masas pero evidencia otros problemas. Su teoría no les ha prevenido de que pudiera existir una estructura subyacente en ese «potaje» compuesto de quarks-gluones. Por lo que, de alguna manera, se han visto obligados a seguir con el manido discurso de la composición simple de los hadrones con el que se divulgan los logros del modelo de quarks, para lo cual, simplemente, han considerado que el valor de las cargas (excepto la masa) es atribuible exclusivamente a esos dos o tres «quarks de valencia» que supuestamente no han sido neutralizados. Claro, esto puede que sirva para contentar al lego, pero creo que debe disgustar a no pocos colegas dentro de la propia comunidad.   

Literal: «a medida que aumenta el número de partículas producidas en las colisiones de protones (las líneas azules), se miden más de los llamados hadrones extraños (como lo muestran los cuadrados naranja a rojo en el gráfico)» (Imagen: ALICE / CERN)

Desde la perspectiva de la teoría de ruedas la explicación es obvia: recuerda, los leptones son ruedas, o agrupaciones lineales de ruedas, y los nucleones son combinaciones de varias ruedas con diferente carga eléctrica; por lo que te puedes imaginar que, si hacemos chocar estas estructuras con mucha energía, haremos saltar trozos de rueda de diferentes formas, tamaños y cargas, en todas direcciones que muy bien pueden volver a adherirse entre sí de forma caótica. Además, así quedaría libre el fotón que ha permanecido confinado en el interior de cada rueda, contribuyendo de esta manera a la luminosidad del evento (el número de ruedas destrozadas determinará el número de fotones emitidos).

Recreación artística de las «cascadas» resultantes de las colisiones de partículas cósmicas superenergéticas contra nuestra atmósfera

En ese caso: ¿podemos clasificar cada trozo de estructura observado como una partícula nueva, en función de su masa y sus cargas? y ¿diríamos que cada uno de estos restos es una partícula masiva fundamental con características intrínsecas propias?, no, ¿verdad?. Pues, eso es precisamente lo que, por desconocimiento, empezaron a hacer los físicos de partículas cuando apuntaron sus detectores al cielo para observar las cascadas de «guijarros» dejadas por aquellas ruedas que, procedentes del espacio, colisionaban con las de nuestra atmósfera; o cuando los aceleradores-colisionadores empezaron a salpicar con fragmentos de ruedas los modernos detectores de partículas. Claro, como era de esperar, pronto se vieron superados por un sinfín de lo que ellos creyeron que podían ser candidatas a nuevas partículas fundamentales y decidieron poner orden en todo aquello; idearon el «modelo de quarks», introduciendo nuevos «números cuánticos» para los bariones, a los que trataron como «resonancias»; y, finalmente, para las partículas supuestamente fundamentales, propusieron la tabla del modelo estándar que ya casi todo el mundo conoce, donde se incluyen seis sabores de quarks, repartidos en tres generaciones.

Imagen de Wikimedia Commons. Autor: Cush

Teóricamente, los dos quarks de la primera generación: el Up (arriba) y el Down (abajo), estarían presentes en la composición de los mesones más livianos y en los bariones. Teóricamente, repito, porque nunca se ha observado ninguno de estos quarks  libre en la naturaleza, ni han podido aislarse en ningún experimento realizado hasta la fecha. Teóricamente, el confinamiento a los que estarían sometidos por parte de los gluones para formar hadrones, lo imposibilitaría, dado que la fuerza de acoplamiento de partículas cargadas de color sería más intensa cuando las distanciáramos que cuando permaneciesen muy próximas. Así, si incrementásemos la energía para intentar dividir un mesón en dos partes, obtendríamos dos mesones, gracias, teóricamente, a la famosa equivalencia entre energía y masa. Todo muy lógico e intuitivo: una fuerza que crece con la distancia, la energía que se transforma en materia…, todo muy coherente. Pues, si te parece poco, también podemos preguntarnos: ¿cómo es que en los mesones conviven quarks y antiquarks (materia y antimateria), sin aniquilarse mutuamente, si además se impone que la fuerza fuerte les obliga a permanecer pegados? No dejes de pensar…

Resulta paradójico que, en los principios de una teoría tan elaborada y prometedora como la teoría de cuerdas, únicamente se pudiera explicar de manera consistente la física de un sólo tipo de partícula, el mesón, y que, lejos de lo que pudiera haberse esperado, con la llegada del modelo estándar y la supersimetría, las teorías de cuerdas (en plural) se hayan vuelto tan inabarcables que ya son muchos los que hace tiempo vienen vaticinando su ocaso . Sin embargo, todavía queda un buen número de físicos que mantienen vivas las expectativas -en este enlace podemos ver cómo el gran Francis Villatoro hace una defensa a ultranza y resume los últimos 50 años de historia de esta teoría en sólo 10 minutos-. Yo no soy un experto pero, con todo lo que he leído sobre teoría de cuerdas (sin haber entrado en sus formalismos matemáticos) y reconociendo el sesgo de mi propia teoría, tengo la impresión de que en sus inicios estuvieron más cerca de describir la realidad física natural que ahora, siendo el modelo estándar el que vino ha distorsionarlo todo con sus varios parámetros libres que permiten ir modificándolo en función de cual sean los nuevos resultados experimentales, salvando el tipo en todo momento y perpetuándose en el tiempo. Algo de lo que parecen estar libres las teorías de cuerdas. Y, si esto fuese así, no sería descabellado pensar que las primeras versiones de la teoría ya nos habían dado una importante respuesta, pero nadie fue capaz de advertirlo en su momento, porque no se disponía de un auténtico modelo natural coherente para el mundo subatómico y porque nadie es inmune a la ceguera producida por sus propios sesgos cognitivos.

Ahora, imagina el mesón más liviano posible, integrado sólo por los dos quarks de la primera generación, como una entidad física concreta no puntual, sino alargada en una de sus dimensiones longitudinales, algo parecido a la unidad mínima de «cuerda abierta» de esas primeras teorías de cuerdas. Técnicamente sería un hadrón que debería poseer todo tipo de cargas y sus extremos tendrían que estar polarizados, con cargas electromagnéticas opuestas; sería el imán más pequeño que podamos encontrar en la naturaleza. Pero, recuerda que las leyes del electromagnetismo (de Maxwell) prohíben la existencia de monopolos magnéticos; eso excluiría la posibilidad de que, al dividir este supuesto mesón, las dos mitades pudieran conservar sus cualidades individualmente. Por tanto, deberíamos concluir: que sólo podemos imaginar esta hipotética partícula como un todo indivisible y que, igual que convinimos en llamar polo norte y polo sur a los extremos de un imán clásico o proa y popa a los extremos de una embarcación, los quarks de la primera generación del modelo estándar no serían realmente partículas (ni fundamentales, ni compuestas), sino la forma en que hemos tenido a bien denominar los extremos de una partícula fundamental a la que, de momento, podríamos llamar: «mesón primordial»; y, aunque la experiencia nos dice que nunca debemos descartar que en el futuro podamos deducir una subestructura interna para cualquier partícula que en el pasado hayamos considerado fundamental, está fuera de toda lógica pensar que esto se puede extender sin límite, ad infinitum. Así que, vayamos paso a paso y centrémonos en que quizás ahora que disponemos de un nuevo modelo (el de la teoría de ruedas) podríamos arrojar un poco de luz sobre el oscuro y enmarañado mundo subatómico, postulando lo siguiente:

Los «mesones primordiales» son los únicos constituyentes fundamentales de toda la «materia».

Y me refiero a la «materia» en el sentido más amplio del término, incluyendo también a la «materia oscura».

En cuanto a la masa de estas exiguas partículas, ya me doy por contento, si estamos de acuerdo en que se podría inferir, simplemente, como una fracción entera de la masa del protón en reposo. Parece obvio, sin embargo, todavía existe lo que se ha venido en llamar: «el problema de la masa del protón», que básicamente consiste en que, sumando la masa de sus supuestos constituyentes, se quedan muy cortos y, para intentar resolverlo, algunos recurren, desesperados, a la famosa ecuación de Einstein, estimando que gran parte de esa masa faltante corresponde a la energía cinética de los gluones  que aglutinan a los quarks en su interior. La solución a este «problema» se detalla en mi libro y también en este enlace.

En cuanto a los quarks de la segunda generación, ya te habrás dado cuenta, por el postulado que acabo de enunciar, que tengo razones para pensar que los quarks más pesados tampoco son partículas fundamentales. Pero, si te parece, dejaré ese tema para la segunda parte de esta entrada. Creo que esta ya ha quedado suficientemente densa. 

 

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