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¿Por qué quarks?
Sobre la década de los 50 se habían encontrado partículas que sentían la interacción nuclear fuerte y qué era muy difícil de organizar. Sin embargo había una cuestión muy extraña en dichas partículas. Algunas de ellas tenían masas altas, lo cual implicaría que deberían de decaer a otras partículas más ligeras rápidamente y que sin embargo lo hacían con un ratio “lento”. Entonces se introdujo una característica nueva a dichas partículas denominada extrañeza. Una partícula podía tener una extrañeza de valor ...,-2,-1,0,+1,+2,... y esta particularidad debería de ser conservada en una reacción entre partículas. Esto fue introducido por Gell-mann y Nishijima.
Por otro lado, se había llegado al convencimiento de que la interacción nuclear fuerte era independiente de la carga eléctrica, por ejemplo tanto neutrones como protones la sentían igual. Esta característica de la interacción nuclear fue puesta de manifiesto principalmente por Heisenberg.
Entonces, Murray Gell-Mann (y Ne’eman independientemente) se dieron cuenta de que si uno exige que las carga eléctricas de las partículas hadrónicas bariónicas (aquellas que sienten la interacción fuerte, como bariones y mesones) ha de ser entera (como es el caso en todas las partículas libres que podemos producir y medir) entonces estas partículas se pueden organizar en familias de ocho y diez miembros (si el espín de las partículas pertenecientes a la familia tienen espín 1/2 y 3/2 respectivamente). Uno de los “milagros” de esta clasificación es que uno puede relacionar las masas de las partículas de cada familia entre sí.
Nota matemática:
Resulta que si las partículas pueden ser relacionadas con representaciones irreducibles del grupo SU(3) (de sabor en este caso) uno encuentra exactamente una disposición de familias en octupletes y decupletes para el caso de los mencionados espines. Esto implica que hay una simetría subyacente bajo el cambio de sabor (tipo de partícula), por lo que se deducía que los hadrones bariones no pueden ser partículas elementales sino que deberían de tener constituyentes que pudieran tener al menos tres sabores (tres tipos distintos de partículas).
A las unidades que componían los hadrones bariones Murray Gell-Mann las denominó quarks (Independientemente Zweig llegó a la misma conclusión y a estos constituyentes los denomino aces).
Inicialmente se pensó que teníamos tres elementos
quark u carga 2/3 espín 1/2 extrañeza 0
quark d carga -1/3 espín 1/2 extrañeza 0
quark s carga -1/3 espín 1/2 extrañeza -1
Sus correspondientes antipartículas tendrían tanto la carga como la extrañeza opuestas.
La naturaleza ha de requerir (aún no se sabe el mecanismo) que estas partículas estén combinadas de tal forma que la partícula resultante tenga carga eléctrica entera. Entonces los bariones serían combinaciones de tres quarks y los mesones serían combinaciones de dos quarks.
¿Están los quarks realmente ahí?
Pues bien, en realidad la pregunta es pertinente. No vemos partículas con cargas fracionarias (respecto a la carga del electrón) y sin embargo estamos diciendo que los hadrones bariones están constituidos por partículas que en realidad tienen esa característica.
¿Estamos seguros de eso?
La respuesta es sí, porque uno puede hacer experimentos tipo Rutherford (que identificó que los átomos estaban compuestos de una nube electrónica y de un núcleo que contenía la carga positiva del átomo) con nucleos, incluso con protones o neutrones individuales.
El caso es que si bombardeamos un protón con electrones de muy alta energía lo que vemos es que el protón tiene las siguientes características:
No es puntual.
Su carga no está distribuida uniformemente.
Hay tres centros de carga dentro del protón.
Las cargas de dichos centros coinciden con las asociadas a los quarks.
Las partículas constituyentes tienen espín 1/2.
Este experimento se llama dispersión inelástica con protones y fué realizado en SLAC (merecedores de un premio nobel aquellos científicos que hicieron tal experimento).
Lo más sorprendente de todo esto es que este experimento nos dice que la “energía” que tienen los quarks dentro del protón sólo llega a un 50% de la energía total del protón. ¿Dónde está el resto de la energía?
El resto de la energía está contenida en los gluones. Los gluones son las partículas que median la interacción fuerte.
Hoy día sabemos que hay 6 quarks:
up down charm strange top bottom.
Todos ellos han sido “vistos” en el laboratorio. El último en producirse fué el quark top que pesa tanto como un átomo de oro el solito.
¿De qué color es un quark?
Dado que la interacción fuerte es la que tiene que darse entre quarks y dado que esta interacción no depende de la carga eléctrica, los quarks han de tener otra característica que sea la que produzca y sienta la interacción fuerte.
Esta característica se denomina color, y tiene tres valores: rojo, verde y azul.
Cada quark puede estar en uno de esos colores (o el correspondiente anticolor en caso de ser un antiquark).
Y la interacción fuerte viene mediada por una partículas que se denominan gluones. Estos gluones tienen carga de color. Por ejemplo:
Si un quark up es rojo, se puede transformar un quark azul. Para ello se emite un gluón con carga rojo-antiazul.
Pero ocurre lo siguiente:
En la naturaleza sólo se dan partículas sin color (una combinación de los tres colores fundamentales rojo, azul, verde). (Aún no hay una explicación totalmente aceptada para este hecho, pero no se han encontrado ninguna excepción a esta regla).
Por lo demás, dado que los gluones tienen carga, interactúan entre ellos y además eso produce que si separamos dos quarks entre sí la interacción se vuelve extremadamente intensa. Esto es lo que se llama confinamiento y obliga a que los quarks no puedan estar aislados. (Esto es por lo que no vemos cosas con color, ni cosas con cargas fraccionarias).
Además sabemos por los experimentos de colisión inelástica que los quarks se comportan como partículas libres mientras están en volumenes del orden de los hadrones bariones (en cuanto se alejan la interacción se vuelve más intensa y los vuelve a acercar). A este hecho se lo denomina libertad asintótica.
Por lo tanto, la interacción de color tiene las siguientes características:
Es invariante bajo una simetría SU(3) de color. (Diferente de la SU(3) de sabor inicialmente explicada aquí).
1. Presenta libertad asintótica.
2. Presenta confinamiento de color.
3. Los estados ligados no pueden ser coloreados sino neutros o blancos.
4. Los estados ligados no pueden tener cargas fraccionarias.
