¡Tres son los quarks que forman un protón, tres!

¿Quieres que te lo cuenten otra vez?

supernenas

En la última entrada de este blog, un lector, al que agradezco sinceramente sus comentarios, me expresa su escepticismo respecto a los argumentos empleados en la Teoría de Ruedas, basándose en que no se debe rebatir algo que se considera probado experimentalmente, como es el hecho de que un protón está formado por tres quarks.

Entiendo que la confianza en la ciencia y en sus divulgadores debe ser máxima, pero todo en física es susceptible de ser revisado y debatido sobre la base de nuevas observaciones y/o experimentaciones que puedan ser contradictorias con la interpretación teórica de las experiencias anteriores. Ese es el caso del número de quarks que forma un protón. Claro que esto también puede llevar a idear nuevos modelos físicos que pongan en cuestión algún principio considerado, hasta ahora, inamovible. Y es que, como dijo Einstein: “…no es fácil percatarse de que aquellos conceptos que, por estar contrastados y llevar largo tiempo en uso, parecen conectados directamente con el material empírico, están en realidad libremente elegidos”.

Por tanto, el planteamiento del lector es muy lógico: si lo repiten en casi todos los medios de divulgación científica, como si de un “mantra” o un “cuento de nunca acabar” se tratara, será porque está demostrado experimentalmente ¿no?… Esto me hace ser consciente, aún más si cabe, del tremendo trabajo que tengo por delante.

Pero bueno, por suerte, todavía quedan por ahí algunos perspicaces científicos con la reputación, la audacia y la valentía suficientes para divulgar honestamente lo que en realidad opinan, aunque eso suponga ir en contra de la opinión generalmente aceptada en la comunidad científica. Siempre tiene que haber alguna oveja negra…Lo que me servirá de mucha ayuda para mostraros que lo que está demostrado experimentalmente es que un protón está formado por un gran número de quarks, antiquarks y gluones.

Así que ¿por qué no revisamos la historia del protón y de sus quarks para hacernos una somera idea de su fundamentación científica? Intentaré hacer un resumen para no alargarlo demasiado.

Ernest Rutherford
Imagen Smithsonian Institution

En 1918, Rutherford, tras estudiar los resultados del experimento que consistía en bombardear gas nitrógeno con “partículas” alfa, sugirió que el núcleo del átomo de hidrógeno debía ser una partícula fundamental. Con esta nueva partícula y, los ya conocidos, electrones se propusieron modelos atómicos basados únicamente en dos constituyentes básicos con carga eléctrica opuesta, pero existía un problema con la relación carga-masa: la suma de cargas positivas iguales a las del hidrógeno y su masa no se correspondía con la medida experimental de la masa del resto de los elementos conocidos.

En los años 30 del siglo pasado, fue detectado el neutrón, la partícula que junto al protón sirve para explicar la casi totalidad de la masa de los átomos, que se concentra en el núcleo, de ahí que se les llame “nucleones”. Ahora el átomo completo se podría explicar con un modelo simple, semejante a las órbitas planetarias, de tres partículas fundamentales. Sin embargo, el neutrón se muestra inestable, decae en un protón y un electrón en la desintegración beta, sobre todo cuando no forma parte del núcleo del átomo. Las gráficas de energía de emisión de electrones en los decaimientos del neutrón no se podían explicar más que asumiendo teóricamente que habría otra partícula neutra, sin masa, que se emitía al mismo tiempo, esto es, el neutrino.

Además, estos modelos presentaban un importante problema: ¿cómo pueden mantenerse unidos los protones en un espacio tan reducido como es el núcleo y no salir disparados en todas direcciones debido a la repulsión electrostática mutua?

En 1935 Yukawa ideó una teoría, según la cual debían existir otras partículas mediadoras de una interacción nuclear, más fuerte que la electrostática, que procuraran la cohesión de los nucleones. Los llamó piones (mesones π) y serían intercambiados entre protones y neutrones indistintamente.

También en esa época detectaron el positrón y el muón en cámaras de burbujas, si bien, el muón no pudo ser clasificado hasta la década de los 60. En cualquier caso, la cosa empezaba a complicarse.

Al final de la década de los 40, se inició la experimentación con radiaciones cósmicas y en aceleradores de partículas. Esto trajo consigo la observación de un buen número de nuevas partículas que precisaban ser ordenadas y catalogadas en grupos, entre ellas estaban los buscados mesones π cuya masa había predicho Yukawa.

Inicialmente, las partículas se catalogaron por su masa. Los leptones (electrones, positrones y neutrinos) eran los más ligeros y los hadrones, más pesados, se dividían a su vez en: mesones, que tendrían masa media; y bariones (los nucleones), con una masa mayor. Pero pronto esta forma de clasificación se mostraría insuficiente. Por eso, a principios de los 60, se desarrolló una nueva forma de ordenación: la clasificación octal, que usaba la teoría de grupos para tener en cuenta, además de la masa, otras propiedades como el espín o el número bariónico.

Para ir más allá en este tipo de clasificación, se ideó la fórmula NNG (Nishijima, Nakano, y Gell-Mann), con la que Murray Gell-Mann y George Zweig llegaron a la conclusión (de forma independiente) de que siguiendo este camino se podría teorizar sobre la idea de que las partículas, que hasta entonces se consideraban fundamentales, podrían estar compuestas por otras. Gell-Mann los llamaría quarks.

Murray Gell-Mann
Murray Gell-Mann. Imagen de Joi

La teoría de los quarks no fue bien acogida al principio porque era realmente extraña. Según ésta: los quarks no existían como partículas libres, sino confinadas en pares (mesones) o en trios (bariones), además, poseían cargas eléctricas fraccionarias respecto a la unidad básica de carga del electrón. La combinación de estas cargas, en grupos de tres, serían las responsables de la carga positiva del protón y también de la carga neutra del neutrón. Para conseguir esto fue suficiente con postular la existencia de un quark “up” (con carga +2/3e), un quark “down” (con carga -1/3e) y un quark “extraño”, que servía para incluir la cualidad de la extrañeza en las clasificaciones octales, una cualidad que consistía básicamente en la mayor durabilidad de algunas partículas generadas en los colisionadores.

Independientemente, a mediados de los 60, Richard Feynman postuló que los hadrones podían estar formados por subestructuras de otras partículas, a las que denominó “partones”, basándose en datos de colisiones de alta energía. Entre 1967 y 1973, junto con James Bjorken, llevó a cabo experimentos de colisiones inelásticas en el acelerador de partículas lineal de Stanford (SLAC), que consistían en disparar electrones contra protones y estudiar su dispersión, de forma parecida a los experimentos con los que Rutherford descubrió la existencia del núcleo atómico. El análisis de los resultados de la dispersión de las partículas no es precisamente sencillo, por eso, surgieron varias propuestas teóricas explicativas. La más osada, pero también la que más se ajustó a las observaciones, fue la de Bjorken que defendía la idea de que los electrones eran desviados por subpartículas del mismo signo eléctrico y de espín ½, que existían en el interior del protón y que, en principio, identificaron como los partones de Feynman, para después asimilados a la teoría de quarks.

Richard Feynman
Richard Feynman. Imagen de Energy.gov

Por supuesto, entre tanto, seguían apareciendo nuevas partículas, como el leptón tau y los quarks: charme y bottom (el quark top se halló en 1995).

En los años 70, los quarks se habían evidenciado claramente como entidades reales, más allá de la teoría matemática, gracias a la experimentación en colisiones de más altas energías en los aceleradores y colisionadores. Sin embargo, los quarks constituyentes de los hadrones no pueden ser observados como partículas individuales, porque siempre están confinados. Además, había un problema por resolver con los tríos de quarks: según el Principio de Exclusión de Pauli,  las agrupaciones con dos o más quarks del mismo tipo no son posibles porque son partículas con espín ½, lo cual precisaba de una explicación dentro de una teoría más amplia que incluyera una nueva fuerza fundamental, la “fuerza fuerte” (mediada por unas nuevas partículas que se encargarían de mantener unidos los quarks), pero que no debemos confundir con la interacción nuclear entre nucleones, cuya interacción teórica todavía se supone mediada por los piones de Yukawa.

La “Cromodinámica Cuántica” vino a resolver el problema. Oscar Greenberg sugirió que los quarks debían poseer una carga (la carga de color), adicional a la carga eléctrica, que haría que cada quark se pudiera encontrar en tres estados cuánticos distintos. De esta forma se salva el escollo porque los quarks, aunque sean iguales, dejan de estar juntos en el mismo estado. Las tres variedades se denominaron: rojo, verde y azul. Se considera que la unión de los tres colores, o de un color y su anticolor, da lugar al confinamiento de forma análoga a mezclar luz de distinto color para obtener el color blanco, aunque no tiene nada que ver con la definición electromagnética del color.

proton
Imagen de Arpad Horvath vía Wikimedia
Imagen de Brianzero
Imagen de Brianzero

La fuerza fuerte (generada desde la carga de color) es siempre atractiva, gana en intensidad cuando se incrementa la distancia entre los quarks confinados, es nula cuando éstos están juntos (entonces se dice que se encuentran en “libertad asintótica”, lo que fue demostrado en 1973 por David Gross, Frank Wilczek, y David Politzer) y se considera mediada por ocho tipos de gluones, unas nuevas partículas que se incorporan al zoo y cuya existencia fue confirmada en 1979. Aunque, al igual que los quarks, tampoco los gluones pueden ser observados individualmente.

Es lógico pensar que esta cadena de teorías vino precedida de la experimentación o fueron desarrolladas para explicar observaciones experimentales. Sin embargo, como podemos comprobar, existe una interdependencia entre la teoría y la experimentación. Una condiciona a la otra. Me explico, experimentalmente se busca algo concreto, que ha sido propuesto en una teoría para resolver un problema conceptual incómodo, se trabaja para conseguir observarlo aunque sea de manera indirecta y, como somos humanos, cuando se cree haber alcanzado el objetivo es muy difícil abstraerse de los prejuicios para buscar otra explicación que no esté dentro de la lógica de lo teorizado previamente.

La historia de los quarks nos muestra cómo, a veces, una interpretación más coherente de los datos empíricos obtenidos precisa de hipótesis que se podrían considerar osadas y que, por lo general, son inicialmente ignoradas por la comunidad científica para luego terminar siendo mayoritariamente aceptadas.

Pues bien, ya casi hemos acabado con esta retrospectiva y ahora debemos estar un poco más ilustrados respecto de la epistemología del protón y sus quarks. Por tanto, podremos encarar mejor la cuestión que nos ocupa en este artículo, esto es:

¿Un protón está constituido únicamente por tres quarks?

Nos remontamos solo un poco, hasta el verano de 2011. En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN se acumulan datos sobre colisiones entre protones, registrados por el detector ATLAS (semejantes a los obtenidos en el detector CMS), cuyo análisis, ya en 2012, aporta la confirmación experimental de que los protones están formados por un gran número de quarks, antiquarks y gluones.

Detector ATLAS. Imagen del CERN

Esta noticia fue divulgada por muy pocos medios, pero aquí os dejo un enlace a una página, creada el 13 de febrero de 2012, donde el profesor de física teórica de altas energías de la Universidad de Rutgers, Matt Strassler, la comenta:

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/largehadroncolliderfaq/whats-a-proton-anyway/proton-collisions-vs-quarkgluonantiquark-mini-collisions/

Haciendo un pequeño extracto resumido, la cosa va de que los físicos de partículas, cuando hacen colisionar protones, en lo que se interesan principalmente es en las “mini-colisiones” (entre quarks, antiquarks y gluones) que llevan sólo una fracción, a veces muy pequeña, de la energía total de la colisión protón-protón.

En la gráfica de resultados de este experimento, cuya energía en el punto de colisión protón-protón es de 7 TeV, se refleja en una curva cómo se reparte la energía total de 100 billones de mini-colisiones detectadas. El eje vertical marca el número de eventos en progresión logarítmica (graduado en potencias de 10) y el eje horizontal la energía con que llevan éstos (en GeV). Por ejemplo, el número de mini-colisiones que tenía una energía alrededor de los 1600 GeV fue aproximadamente 10^3 (1000 eventos).

mini-colisiones ATLAS

Si los protones contuvieran exactamente tres quarks deberíamos observar que la mayoría de los eventos se llevan un tercio de la energía total de colisión protón-protón y aparecerían en el rango de 2,3 TeV. Sin embargo, lo que la experiencia refleja es que en esa energía no ocurre nada especial, que sólo 2 eventos de los 100 billones tienen energía superior a 3,5 TeV y que el número de otras mini-colisiones aumentan exponencialmente según se reduce su energía.

Esto se debe a que hay un gran número de gluones, antiquarks y quarks dentro de cada protón y son tan numerosos que están involucrados en la mayoría de las mini-colisiones.

protón con múltiples quarks
Protón con múltiples quarks, antiquarks y gluones, en una presentación desestructurada.

Ahora bien, para ser justos, también debemos tener en cuenta que no es posible distinguir entre mini-colisiones: quark-quark, quark-antiquark, gluón-gluón y otras combinaciones. Esto viene inferido, en realidad, por la explicación teórica de las experimentaciones anteriores que, como hemos visto al repasar la historia, están mutuamente condicionadas.

Así, a la vez que se admite que está probado que el protón está constituido por numerosos quarks, antiquarks y gluones, se intenta mantener la afirmación, surgida exclusivamente de la teoría, de que en cada protón existen tres “quarks de valencia” (dos u y un d) que son lo que realmente importan y que aportan la carga eléctrica al protón, porque todos los demás quarks y antiquarks están compensados.

¡Anda que no son importantes ni nada estos “quarks de valencia”. Para mí que en realidad deben ser “quarks de Bilbao”!  si no… ¿cómo iban a soportar ellos solitos toda la carga del protón?

Vale… que no se mosquee nadie. Ha sido una pequeña broma, de pésimo humor, que dedico con mucho cariño a mis amigos vascos: Sonia y Pablo, y con la que intento quitarle hierro a este asunto, que debería haber generado controversia y que, por alguna razón, no ha sido así. Quizás no se quiera poner el dedo en la llaga hasta no tener una explicación más convincente, pero eso no es completamente honesto.

En los años 60 se estimaba que la masa de los quarks era un tercio de la del protón, lo que tuvo que ser rectificado en los 70, dada la evidencia experimental de que eso no era correcto. Desde entonces se ha intentado dar una explicación coherente al “problema de la masa del protón”, a mi juicio, sin conseguirlo. Sin embargo, ahora resulta más sencillo hacerse a la idea de dónde proviene su masa, lo único que debemos hacer es sumar las masas de sus subpartículas.

Claro que la teoría de quarks no aporta pistas sobre cómo se organizan todas estas partículas internas en los protones, eso es porque es una teoría matemática que no surge de un modelo físico –al principio, el propio Gell-Mann consideraba a los quarks como simples entidades matemáticas ficticias- de ahí que se reduzca a sólo dos o tres el número de quarks teóricos para los hadrones, porque matemáticamente es más fácil trabajar con los menores enteros primos divisores del número real de componentes (como éste era desconocido, usando el principio de simplicidad, optaron por los dos menores, es decir, el 2 y el 3).

La Teoría de Ruedas aporta el modelo físico necesario para explicar cómo se organizan estructuralmente los mesones (teóricamente: quarks, antiquarks y gluones) en el interior de los protones, basado en hipótesis sobre la evolución de las estructuras materiales desde el Big bang.

Sumando ambas teorías (la de quarks y la de ruedas) se deduce que un protón tendría que estar compuesto por un número de quarks estructurados que fuese múltiplo, a la vez, de dos y de tres. El que tengan que estar estructurado está inferido por la existencia de un momento magnético (espín), bien definido, que tiene su origen en la rotación de cargas eléctricas como en el nivel macro.

Al igual que, en su momento, hubo que modificar la estimación inicial de la masa de los quarks, ahora también será necesario hacer lo propio con la suposición de sus cargas eléctricas. Pero, como este artículo ya se ha alargado demasiado y no quiero hacerme muy pesado, os remito a que leáis la tercera fase de la evolución de la materia de mi teoría de ruedas, donde ofrecí una posible explicación teórica al reparto de la carga eléctrica entre las partículas subatómicas, que se vio posteriormente confirmada experimentalmente, cuando pudo ser medida con precisión la relación carga-masa del protón en comparación con el antiprotón.

Hay muchas cuestiones que debemos replantearnos en física, pero esas serán otras historias que iré comentando, más adelante, en nuevos artículos.

 

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