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 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. Pero, antes de entrar en faena con los quarks, pongamos sobre la mesa otras cuestiones surgidas de la experimentación en aceleradores-colisionadores de partículas:

Duchas de partículas en el detector ALICE durante las primeras colisiones de núcleos de plomo de 2018 (Imagen: ALICE / CERN)

Si la teoría más aceptada en la actualidad es correcta, la nucleosíntesis (el proceso de creación de nucleones primigenios) se produjo tras el Big Bang al enfriarse el plasma de quarks-gluones por debajo de tres grados. Entonces, ¿por qué no se ha observado la formación de nuevos protones y/o neutrones a partir del plasma del quark-gluón superenergético, obtenido como resultado de las colisiones con núcleos de átomos pesados?

Si la teoría más aceptada en la actualidad es correcta, la nucleosíntesis (el proceso de creación de nucleones primigenios) se produjo tras el Big Bang al enfriarse el plasma de quarks-gluones por debajo de tres grados. Entonces, ¿por qué no se ha observado la formación de nuevos protones y/o neutrones a partir del plasma del quark-gluón superenergético, obtenido como resultado de las colisiones con núcleos de átomos pesados?

¿Por qué tampoco surgen nuevos protones, de manera espontánea, durante la aceleración de los haces (antes incluso de las colisiones), mientras incrementamos tremendamente su energía cinética? Creo que eso es lo que cabría esperar, si confiamos en la interpretación más aceptada de la famosa ecuación de Einstein sobre la equivalencia energía-masa.

Imagen 3D de las partes del anillo acelerador del LHC, en el CERN.
Fotografía : Domínguez, Daniel; Brice, Maximilien

En las colisiones de protones observamos cascadas y chorros de otras partículas, unas más pesadas, otras más livianas, junto a un difotón (dos fotones) por cada protón implicado. En las colisiones entre electrones y positrones (supuestamente, materia y antimateria, respectivamente), la teoría dice que debería observarse la aniquilación “limpia” entre ambos, dando como resultado pura energía. Sin embargo, lo que vemos experimentalmente es lo mismo que en las colisiones con protones, salvo que en estas se libera un sólo fotón por cada electrón o positrón implicados, y esto ocurre, incluso, cuando las colisiones se producen a energías mucho más bajas.

Imagen del CERN: Un ejemplo de datos reales recopilados desde el detector DELPHI en el
Large Electron-Positron collider (LEP), que funcionó entre 1989 y 2000.
Se producen dos chorros de hadrones

Recuerdo haber oído a un físico explicar en un pódcast, tras hacer un rápido “cálculo de servilleta”, que la energía cinética de un protón acelerado a casi la velocidad de la luz no supera la de un mosquito que se estampe contra el parabrisas de nuestro vehículo. Esa comparación me pareció muy ilustrativa porque ayuda a imaginar el ínfimo valor cuantitativo de esa energía desde la perspectiva de la escala humana. Y, ya que estamos haciendo comparaciones, entonces, si la energía de dos protones al chocar es capaz de convertirse en todo ese montón de partículas nuevas, ¿por qué nunca hemos llegado a observar la creación de nueva materia desde el vacío en los experimentos donde el tremendo poder de los más potentes láseres es capaz de concentrar una cantidad inmensa de energía en una región casi puntual?

Imagen del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore: Experimento en el Centro Nacional de Ignición y Ciencia de Fotones. Crédito: Damien Jemison.

Piénsalo… ¿tal vez tendríamos que buscar otras hipótesis que encajen mejor con las observaciones realizadas? Considera la siguiente:

Las partículas masivas tienen la propiedad de conservar los efectos de pasadas interacciones con los campos energéticos, es decir:  la materia puede “almacenar” energía (serían las llamadas “cargas”), lo que le permite seguir interactuando en el futuro. Por otro lado, la energía únicamente puede inferirse midiendo los efectos de sus campos energéticos sobre las partículas materiales. Por tanto, una posible consecuencia de E=mc² sería que la energía y la materia son interdependientes la una de la otra, pero eso no quiere decir que los campos energéticos tengan la capacidad de trasmutarse en ningún tipo de materia.

Sigue pensando… si esto fuese así, la suposición de que podemos hacer que surjan del vacío nuevas especies o sabores de partículas multiplicando la energía de los hadrones y/o los leptones, no tendría sentido y se reforzaría la idea de que esas partículas ya eran constituyentes de los protones, electrones y positrones, antes de hacerlos colisionar. Y, además, para dotar de un nuevo sentido físico a esos “campos energéticos”, como transmisores de las “fuerzas de la naturaleza”, tendríamos que recuperar la idea de que la dinámica en el espacio-tiempo viene impuesta necesariamente por un “fluido inmaterial ubicuo”, al que hemos llamado de muchas maneras pero yo me resisto a dejar de llamar “éter”. Permíteme que explique esto último con una analogía:

Imagina que el espacio-tiempo fuese como un océano que lo permease todo. En un volumen determinado de éste podremos medir campos escalares, como: los de la temperatura, la presión, la densidad, etc., y campos vectoriales, como: los de la circulación de las corrientes, las mareas, los vórtices en forma de remolinos cónicos o tubulares, etc., a los cuales podemos poner incluso un nombre específico. Estaremos de acuerdo en que ninguno de estos campos son objetos independientes del propio fluido. Cada uno de ellos es el resultado de uno o varios procesos físicos de carácter local, regidos por las leyes clásicas de la transmisión de energía, donde entran en juego las fuerzas de la naturaleza que, aunque sea sutilmente, también pueden afectar de manera universal al océano entero. Pues, así también podríamos imaginar la dinámica de los fotones y los gluones (los bosones sin masa del modelo estándar), como fenómenos locales inseparables del propio fluido espacio-temporal del que estarían compuestos y a los que no deberíamos considerar “corpúsculos”, sino fenómenos cuantitativamente localizados, transmisores de una determinada cantidad de energía, cuyas cualidades físicas muy bien podrían deducirse con las ecuaciones clásicas de la mecánica de fluidos.

En este vídeo podemos ver un vórtice tubular en el océano
Aquí podemos ver un vórtice cónico

Bueno, espero que no se me malinterprete, no quiero decir con esto que todo esté resuelto o se pueda resolver en breve. La modelación realista de las turbulencias y los vórtices en sistemas fluidos sigue siendo un quebradero de cabeza para los físicos y los matemáticos. Lo que quiero decir es que, si mi teoría es correcta, las partículas masivas no deberían derivarse de ningún tipo de fluctuación de los campos cuánticos, aunque tengan la capacidad de generar campos (gravitacionales, eléctricos, magnéticos, etc.) en el medio en el que interactúan; serían  entidades físicas concretas, regidas por leyes causales y, en lo fundamental, no probabilísticas. Y ahí es donde está el quid de la cuestión: si no confundimos las partículas masivas con sus campos energéticos y si corregimos las ecuaciones que describen la “masa relativista aparente” de la Relatividad Especial -un asunto que resulta ser “la clave” para entender, tanto la masa de las partículas subatómicas, como la dinámica de los agujeros negros-, podremos explicar las observaciones experimentales con argumentos que, en su mayoría, ya han sido descritos en la física clásica y en la Relatividad General, desechando en gran parte las anti-intuitivas reglas de la física cuántica. Así, los físicos teóricos podrían dejar atrás aquello de: “¡cállate y calcula!”, para dedicarse a imaginar modelos cada vez más cercanos a la realidad natural.

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 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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