Ahora mismo pesas lo que pesas. 70 kilos, 80, 90. Da igual el número exacto. Lo que importa es esto. El 99% de esa masa de todo lo que eres físicamente, viene de una partícula que no tiene masa. Si, leiste bien. Casi toda tu masa viene de algo que pesa exactamente, cero. Y no, no estoy hablando del bosón de Higgs, ese famoso dador de masa que apareció en todas las noticias cuando lo descubrieron en el 2012. El higgs solo es responsable del 1% de tu masa, apenas nada. Entonces, ¿de dónde viene el resto? Viene de una partícula que casi nadie conoce, una partícula que los físicos llaman el pegamento del universo. Una partícula tan extraña que desafía todo lo que crees saber sobre la física, el gluón. Y lo que vas a descubrir en las próximas dos horas va a cambiar completamente cómo entiendes tu propia existencia física. Porque resulta que no existes gracias a la materia, existes gracias a la energía. Einstein lo predijo hace más de un siglo con su ecuación más famosa. Pero lo que esa ecuación realmente significa, es algo que muy pocos entienden. Hoy vas a entenderlo. Pero antes de llegar ahí, necesitas saber algo. En 1979. en un laboratorio de Hamburgo, Alemania, un grupo de físicos observó algo que no debería existir. Habían hecho colisionar electrones con positrones a velocidades cercanas a la luz y cuando miraron los resultados, vieron tres chorros de partículas saliendo de la colisión. Tres. No dos. Según la física de la época, solo debían ver dos, un quark y un antiquark, creados de la energía de la colisión, saliendo en direcciones opuestas. Pero había un tercer chorro. Algo más había salido de esa colisión, algo que nadie había visto jamás. Ese tercer chorro era la primera evidencia directa del gluón.
La partícula que mantiene unido todo lo que existe. La partícula que genera casi toda tu masa. La partícula de la que estás hecho. Aunque ella misma no esté hecha de nada. Ya sabes que estas partículas, el protón y el neutrón no son fundamentales. El protón está hecho de tres quarks, dos quarks Up y un quark Down. El neutrón también está hecho de tres quarks, dos quarks Down y un quark Up. Hasta aquí todo parece sencillo. Tres quarks metidos dentro de una bolita que llamamos protón o neutrón. Pero hay un problema enorme con esta imagen, ¿qué mantiene a esos tres quarks juntos? Piensalo un momento. Los quarks tienen carga eléctrica. Los quarks Up tienen carga positiva de dos tercios. Los quarks Down tienen carga negativa de un tercio, pero la carga eléctrica no es suficiente para mantenerlos unidos. De hecho, los dos quarks Up dentro de un protón deberían repelerse entre sí, porque ambos tienen carga positiva y sin embargo, ahí están juntos, formando el protón, que forma el núcleo, que forma el átomo, que forma las moléculas que forman. Bueno, que te forman a ti. Entonces, ¿qué fuerza es tan poderosa que puede superar la repulsión electromagnética y mantener a los quarks pegados? La respuesta es la fuerza nuclear fuerte. Y esta fuerza no es cualquier fuerza, es la fuerza más intensa que existe en todo el universo. Mira esto. Si comparamos las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y le damos a la fuerza fuerte un valor de 1 la fuerxs electromagnética tiene una intensidad de aproximadamente 0,01, 100 veces más débil. La fuerza nuclear débil tiene una intensidad de aproximadamente de 0,000001, un millón de veces más débil que la fuerte. Y la gravedad, la gravedad tiene una intensidad relativa de 10⁻³⁸. Eso es un cero, un punto decimal y luego 37 ceros antes de llegar al uno. La fuerza fuerte es aproximadamente un billón de billones de billones de billones de veces más intensa que la gravedad. Y sin embargo, nunca la sientes, nunca la percibes en tu vida diaria. ¿Por qué?Porque la fuerza fuerte tiene un rango diminuto. Solo actua a distancias menores que una milbillonésima de metro. Aproximadamente, el tamaño de un protón. Para que te hagas una idea, un protón es 100.000 veces más pequeño que un átomo. Y un átomo es 100.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano. La fuerza fuerte opera en un mundo tan diminuto que es completamente invisible para nosotros. Pero sin ella nada existiría, literalmente, nada.
Sin la fuerza fuerte, los protones y neutrones se desintegrarían instantaneamente. Los núcleos atómicos no podrían formarse.
Los átomos no existirían, las moléculas no existirían, tú no existirías. Pero hay algo aún más extraño sobre esta fuerza.
Ahora viene la parte que rompe la cabeza. Ya establecimos que el protón está hecho de tres quarks, dos Up y un down. Perfecto. Entonces, si sumamos las masas de esos tres quarks, deberíamos obtener la masa del protón, ¿verdad? Hagamos las cuentas.
La masa del quark Up es de 2,2 Megaelectronvoltios. Esa es la unidad que usan los físicos para medir masas de partículas. La masa del quark Down es de 4,7 Megaelectronvoltios. Entonces dos quarks Up más un quark Down. 2,2+2,2+4,7 = 9,1 Megaelectronvoltios.Esa debería ser la masa del protón, pero no lo es. La masa real del protón es de 938 Megaelectronvoltios. 938. No 9. Los quarks solo representan el 1% de la masa del protón. ¿De dónde viene el otro 99% ? Durante décadas, esta fue una de las preguntas más desconcertantes de la física de partículas. Los físicos sabían que el protón tenía tres quarks.
Podían medir la masa de esos quarks y las cuentas simplemente, no cuadraban. Faltaba masa, mucha masa, casi toda la masa. Y aquí es donde entra el protagonista de este artículo, el gluón porque resulta que el 99% de la masa del protón no viene de los quarks, viene de la energía, de la energía de los gluones moviéndose a la velocidad de la luz dentro del protón, de la energía de los quarks, confinados en ese espacio diminuto, vibrando y moviéndose sin parar. Einstein nos lo dijo hace más de 100 años. La energía y la masa son equivalentes. Si tienes suficiente energía concentrada en un espacio pequeño, esa energía se comporta como masa y dentro de cada protón hay una cantidad enorme de energía, gluones creándose y destruyéndose a velocidades inimaginables.
Quarks rebotando contra las paredes de su prisión microscópica. Toda esa energía cinética, toda esa actividad frenética se convierte en masa, tu masa. Ahora mismo, en este preciso instante, dentro de cada uno de los billones de billones de protones que componen tu cuerpo, hay una tormenta cuántica de gluones generando la masa que te permite existir. Pero ¿qué es exactamente un gluón, de que está hecho? Esa es la pregunta que vamos a responder. Todo empezó con un hombre llamado Murray Gell-Mann. En 1964, Gell-Mann propuso algo radical, que los protones y neutrones no eran partículas fundamentales, sino que estaban hechos de componentes más pequeños. Los llamó quarks, Un nombre que tomó de una novela de James Joyce. Pero había un problema con los quarks. Existía una partícula llamada delta doble positivo. Estaba compuesta por tres quarks Up, todos con el mismo spin, y eso violaba una ley fundamental de la mecánica cuántica. El principio de exclusión de Pauli dice que dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Pero aquí había tres fermiones aparentemente idénticos, haciendo exactamente eso, algo no cuadraba. Entonces, en 1964, Oscar Greenberg propuso una solución brillante. ¿Qué tal si los quarks no son realmente idénticos? ¿Qué tal si tienen una propiedad adicional que los distingue? ¿Una propiedad que nadie había considerado antes? Greenberg propuso que los quarks tienen algo llamado carga de color. No tiene nada que ver con el color que vemos con nuestros ojos. Es solo un nombre conveniente para una propiedad cuántica completamente abstracta. Pero funcionaba. Si cada quark tiene un color diferente, entonces los tres quarks del delta doble positivo ya no son idénticos. Uno es rojo,otro es verde, otro es azul. Problema resuelto. Pero esta solución creó una pregunta nueva. Si los quarks tienen esta cosa llamada carga de color. ¿Que fuerza actúa sobre esa carga?La carga eléctrica tiene el electromagnetismo. La masa tiene la gravedad. ¿Que tiene la carga de color? En1973. Harald Fritzsch, Murray Gell-Mann y Heinrich Leutwyler propusieron la respuesta. Desarrollaron una teoría completa llamada cromodinámica cuántica. Cromo viene del griego color. Es la teoría cuántica del color Y en esta teoría, la fuerza que actúa sobre la carga de color, es mediada por una partícula. Una partícula nueva, una partícula que nunca se había observado, el gluón. Así como el fotón es el mensajero de la fuerza electromagnética, el gluón es el mensajero de la fuerza nuclear fuerte. Cada vez que dos quarks sienten la fuerza fuerte entre ellos, es porque se están intercambiando gluones constantemente, sin parar a velocidades cercanas a la luz. Pero los teóricos de 1973 tenían un problema. Nadie había visto jamás un gluón, Era una predicción teórica, una partícula que debía existir según las matemáticas, pero las matemáticas pueden estar equivocadas. La física necesitaba pruebas experimentales y esas pruebas tardarían seis años en llegar. Pero antes de llegar al descubrimiento necesitas entender algo crucial. El gluón no es simplemente el fotón de la fuerza fuerte, es fundamentalmente diferente y esa diferencia explica prácticamente todo lo extraño sobre los quarks y los protones. Vamos a comparar. El fotón tiene carga eléctrica cero. No siente su propia fuerza. Dos rayos de luz pueden cruzarse en el espacio y atravesarse el uno al otro como si nada. No se atraen, no se repelen, no interactúan entre sí. Esto hace que el electromagnetismo sea relativamente simple de calcular. Los fotones no complican las cosas interactuando entre ellos, pero el gluón, el gluón tiene carga de color. Déjame repetir eso porque es absolutamente crucial. El gluón, la partícula que transmite la fuerza del color, ella misma tiene carga de color. Esto significa que el gluón siente la misma fuerza que trasmite. Dos gluones pueden atraerse mutuamente, pueden interactuar, pueden crear más gluones y esto lo cambia todo.
Imagina, que estás jugando a pasarte una pelota con un amigo. Tú lanzas, él atrapa, él lanza, tú atrapas. Así funciona el electromagnetismo. Los electrones se pasan fotones entre sí y así es como sienten la fuerza electromagnética. Simple. Ahora imagina algo diferente. Imagina que cada vez que lanzas la pelota, la pelota misma puede lanzar otras pelotas y esas pelotas pueden lanzar más pelotas y todas esas pelotas se atraen entre sí, mientras vuelan. Eso es la cromodinámica cuántica. Los gluones no solo conectan quarks, se conectan entre sí, crean redes, forman estructuras y esto tiene consecuencias profundas. Primera consecuencia, hay ocho tipos de gluones, no uno. El fotón viene en un solo tipo, pero el gluón viene en ocho variedades diferentes, dependiendo de qué combinación de color y anticolor lleva. ¿Por qué exactamente ocho? Porque hay tres colores y tres anticolores, lo que da nueve combinaciones posibles, pero una de esas combinaciones es incolora, neutra y no puede ser un gluón. 9 - 1 = 8. Segunda consecuencia, el confinamiento, nunca, jamás, en la his toria de la física nadie ha visto un quark suelto y probablemente nadie lo verá nunca. Los quarks están permanentemente confinados dentro de los hadrones. No pueden escapar . ¿Por qué? Por la autointeracción de los gluones. Cuando intentas separar dos quarks, los gluones entre ellos no se dispersan como lo haría un campo eléctrico. En vez de eso, forman un tubo, una cuerda de energía pura. Y mientras más estiras esa cuerda, más energía acumula. La fuerza no disminuye con la distancia, permanece constante, aproximadamente 10.000 newtons. El peso de un coche pequeño, conectando dos partículas más pequeñas que un átomo. Y si sigues estirando, eventualmente la energía en esa cuerda es suficiente para crear nuevas partículas. La cuerda se rompe, pero en los extremos rotos aparecen quarks nuevos creados de la energía pura del campo de gluones. El resultado es que donde tenías dos quarks intentando separarse, ahora tienes cuatro quarks formando dos pares. Nunca lograste aislar un quark, solo creaste más quarks. Esto es el confinamiento y es la razón por la que el gluón es la partícula más esquiva del universo. No puedes ver un gluón libre porque los gluones también están confinados. Ellos también tienen carga de color. Si intentas sacar un gluón de un protón, el mismo proceso ocurre. La energía crea más partículas. El gluón nunca sale solo. Pero entonces, ¿cómo sabemos que los gluones existen? Si nunca podemos verlos directamente, ¿cómo podemos estar seguros de que no son solo una invención matemática? La respuesta llegó en 1979 y es una de las historias más fascinantes de la física moderna. Hamburgo, Alemania, 1978. En las afueras de la ciudad, un equipo de físicos acababa de terminar la construcción de una máquina extraordinaria, Petra, un anillo de 2,3 km de circunferencia, donde electrones y positrones podían acelerarse hasta velocidades cercanas a la luz. La idea era simple, hacer chocar electrones con positrones a energías nunca antes alcanzadas. Y ver que salía de esas colisiones. Cuando un electrón y un positrón colisionan a alta energía se aniquilan mutuamente. Toda su masa se convierte en energía pura. Y esa energía puede crear partículas nuevas. La predicción estandar era que a las energías de Petra, la colisión crearía un quark y un antiquark. Estos se alejarían en direcciones opuestas, pero como los quarks no pueden existir solos, se hadronizarían en el camino. Crearían lluvias de partículas llamadas jets, dos jets, uno del quark, otro del antiquark. Eso es lo que todos esperaban ver, pero había una posibilidad teórica que algunos físicos habían predicho. En 1976, John Ellis, Mary Gailard y Grahan Ross habían publicado un artículo con el título búsqueda de gluones en aniquilación electrón positrón. Su idea era esta. A veces el quark o el antiquark creado en la colisión podría emitir un gluón antes de hadronizarse. Si eso ocurría, la colisión produciría tres Jets en lugar de dos. Tres jets. La firma inequívoca del gluón. En junio de 1979, el detector Taso estaba recolectando datos de colisiones en Petra. Una física llamada Saulan Wu de la universidad de Wisconsin había desarrollado un algoritmo para analizar los datos y buscar esos esquivos eventos de tres Jets. Y entonces, unos días antes de una conferencia importante en Bergen, Noruega, lo encontraron. Evento número 13.177, Ran 447. Tres jets claros como el día, no dos. Tres. El 18 de junio de 1979, Bjorn Wick presentó el resultado en la conferencia neutrino 79, en Bergen. Por primera vez en la historia había evidencia de que los gluones existían. la partícula que los teóricos habían predicho seis años antes era real. En los meses siguientes, los otros tres detectores de Petra. Hid, Mark J. y Pluto confirmaron el descubrimiento. Miles de eventos de tres Jets fueron registrados, no había duda posible. Y en 1980, análisis más detallados confirmaron que el gluón tenía spin 1, exactamente como la teoría de como la teoría había predicho.
La cromodinámica cuántica no era solo matemáticas