LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Y EL MODELO ESTÁNDAR

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

LOS QUARKS

Los nucleones no son realmente partículas elementales, sino que se hallan a su vez constituidos por algunas de las seis partículas verdaderamente elementales, denominadas quarks, de carga eléctrica fraccionaria. El concepto de quark fue propuesto independientemente en 1964 por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig, primero como mera construcción matemática para presentar las propiedades de los hadrones, o partículas sometidas a las interacciones fuertes, de una forma más sencilla, pasando luego a postularse su posible existencia física.

El nombre de quark le fue sugerido a Gell-Mann por un pasaje bastante oscuro del libro de James Joyce “Finnegans Wake” donde puede leerse: “...Three quarks for muster Mark...”, un juego de palabras. Supuso una ruptura con la tradición de bautizar nuevas partículas y fenómenos con palabras derivadas de raíces griegas. El término que había elegido Zweig, y que luego no fue utilizado, era el de “aces”. Es muy posible que ellos pretendieran quitarle ese halo de misterio que tradicionalmente ha rodeado al mundo invisible de lo atómico. No sólo con la palabra quark, sino con muchos términos que hoy día son de uso común entre expertos y que facilitan, en cierta manera, su comprensión.

Al principio se pensó que existían tres tipos de quark: up (u), down (d) y strange (s), arriba, abajo y extraño. El protón está formado por dos quarks u y un quark d y el neutrón por un quark u y dos del tipo d, los cuales se mantienen unidos por otro tipo de partículas elementales, sin masa, llamadas gluones, responsables de la interacción fuerte. Esto es posible al considerar que la carga eléctrica de los quarks es fraccionaria, +2/3 para u y –1/3 para d. Su existencia fue puesta de manifiesto a fines de los años 60 en Palo Alto (California) por medidas de dispersión electrón-nucleón en el acelerador lineal SLAC, donde electrones acelerados a 20 GeV se hacían chocar contra protones y neutrones. Se vio que los nucleones estaban formados por tres partículas puntuales, que fueron identificadas como quarks.

En 1970, Glashow, Iliopoulos y Maiani postularon la existencia de un cuarto quark, denominado charm (c), o encanto, para explicar que un kaón neutro no se desintegra en una pareja de muones, sino en piones cargados. Este quark c había sido ya demandado por Glashow aduciendo motivos de simetría, pues se conocían dos parejas de leptones, el electrón y el muón con sus correspondientes neutrinos, y parecía lógico pensar en dos parejas de quarks. La prueba experimental llegó en 1974 de la mano de dos equipos distintos, el de Ting en el laboratorio Brookhaven de Nueva York y el de Richter en el SLAC de California. En dichos experimentos se observó la existencia de una partícula, llamada J/psi, que era el estado de mínima energía correspondiente al menor valor de un nuevo número cuántico llamado C o encanto, de un par quark-antiquark nuevo, el formado por c-anti c. Por dicho descubrimiento Ting y Richter fueron galardonados con el premio Nobel de 1976.

Posteriormente se planteó la hipótesis de un quinto y un sexto quark, llamados respectivamente bottom o beauty (b) y top o truth (t), fondo y cima o belleza y verdad, por razones teóricas de simetría. En 1977, en los experimentos en el Fermilab, a cargo del equipo de investigadores dirigido por Lederman, se detectó una nueva partícula, de masa 9.640 MeV, que ofrecía grandes posibilidades para estar constituida por un nuevo tipo de quark más masivo que los conocidos hasta esa fecha. La evidencia definitiva la proporcionó el acelerador DESY de Hamburgo (Alemania) en 1978. Sus experimentos de aniquilación electrón-positrón demostraron la existencia del quark bottom. De este modo, la partícula úpsilon, nombre con el que fue designada por Lederman, era interpretada como un estado ligado. Como es lógico, se estableció un nuevo número cuántico del mismo nombre.

No obstante, el quark top no fue hallado por los investigadores hasta 1995, en el Fermilab de Batavia. Para crear un quark top hubo que concentrar inmensas cantidades de energía en una región ínfima de espacio. Se esperaba que entre unos cuantos billones de colisiones de protones algunas creasen un quark cima a partir de la energía del impacto, aunque se desconocía la energía necesaria. El modelo estándar predecía muchas propiedades del quark cima, como la carga, el espín o momento angular intrínseco, pero no determinaba la masa. Finalmente, los experimentos efectuados en el Fermilab, coordinados por Liss y Tipton, arrojaron para dicha masa el valor aproximado de unos 175 GeV, tanta como un átomo de oro y mucho más que lo previsto por la mayoría de los teóricos. La del protón, que consta de dos quarks arriba y uno abajo, como ya hemos dicho, es ligeramente inferior a 1 GeV.

Por consiguiente, ha quedado establecido que el número total de quarks es de seis, pues cada familia está integrada por dos de ellos, y de tal modo que cada una tiene una masa muy superior que la de la familia precedente. Se dice que los quarks se presentan en seis sabores distintos, continuando con esta nomenclatura tan especial, pues el término sabor se emplea en física de partículas para referirse a los tipos que hay de cada una de ellas.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11