El gluón

Continuamos hoy nuestro recorrido por el mundo de las partículas subatómicas con la serie Esas maravillosas partículas. Si has seguido la serie desde el principio (y, si no es así, deberías empezar con el primer artículo sobre el electrón, pues hay conceptos que se han ido introduciendo a lo largo de la serie y damos por sentado ahora), recordarás que los hadrones -las partículas formadas por quarks- sentían la interacción nuclear fuerte, mientras que otras partículas no.

Las partículas vistas hasta ahora en la serie, incluído el gluón.

Cuando hablamos del pión, dijimos que estas partículas eran las responsables de la interacción nuclear fuerte residual, que mantiene a los protones y los neutrones unidos en los núcleos de los átomos. Hoy vamos a estudiar la otra partícula responsable de la interacción fuerte, pero no la residual sino “la de verdad”: la que mantiene a los quarks unidos dentro de los hadrones. Esta esquiva pero pegajosa partícula no es otra que el gluón.

Antes de hablar del gluón (por cierto, ni qué decir tiene que voy a realizar simplificaciones atroces, de modo que si eres físico como yo y esto te parece Barrio Sésamo, que te zurzan), vamos a recapitular un poco, pues hemos recorrido muchas partículas, y creo que encontrar un paralelismo a la situación con la que te vas a enfrentar puede ayudarte a entenderla mejor. De modo que, aunque parezca que lo que voy a decir no tiene nada que ver con los gluones, paciencia.

Recordarás que existen dos tipos de carga eléctrica, que denominamos positiva y negativa. Las partículas que tienen carga eléctrica interactúan mediante la fuerza electromagnética, que se rige, en la física moderna, por la electrodinámica cuántica. En la electrodinámica cuántica, dos partículas con carga interaccionan intercambiando fotones – suele decirse, como ya mencionamos en la entrada sobre el fotón, que esta partícula es la intermediadora de la fuerza electromagnética.

Bien, si recuerdas la entrada acerca de los quarks, esas escurridizas partículas tenían, además de carga eléctrica, otra propiedad diferente que los físicos denominaron color. Moon-Young Han y Yoichiro Nambu, los dos físicos que propusieron la existencia del color (si no recuerdas por qué, relee la entrada de los quarks) iniciaron con ello la cromodinámica cuántica, que es parecida a la electrodinámica cuántica pero estudia el color en vez de la carga.

Hasta aquí, todo correcto: igual que las partículas con carga interaccionan entre ellas, las partículas con color interaccionan entre ellas. La primera complicación es el número de posibilidades: el color de un quark puede ser rojo, verde o azul (bueno, puede ser de tres tipos, pero los llamamos así para tratar de recordar y entenderlo mejor), y el de un antiquark puede ser anti-rojo, anti-verde o anti-azul. De modo que hay muchas más interacciones posibles que las de “cargas de igual signo se repelen, cargas de signo contrario se atraen”. Como espero que recuerdes, la fuerza responsable en el caso del color se denomina interacción nuclear fuerte.

Pero la complicación de la cromodinámica cuántica es muchísimo mayor que la que esa diferencia podría dar a pensar. Cuando Han y Nambu desarrollaron el formalismo que explicaría los fenómenos observados hasta el momento en términos del color, empezaron a definir las características teóricas que debería tener el “equivalente cromodinámico del fotón”, es decir, la partícula mensajera de la interacción nuclear fuerte… y se encontraron con que tenía propiedades similares a las del fotón, pero una muy diferente, y que hace del Universo lo que es.

La partícula mensajera, a la que se denominó gluón (del inglés glue, pegamento), porque mantiene a los quarks pegados dentro de los hadrones), era relativamente similar a su hermano del electromagnetismo, el fotón: era una partícula sin masa, sin carga y de espín 1, es decir, un bosón (esto es evidente porque sólo los bosones pueden ser mensajeros de las interacciones). Pero, y aquí es donde la cosa se vuelve algo surrealista… el gluón tiene color. Y eso, querido lector, es muy, muy raro.

De hecho, hay varios gluones, que tienen diferentes combinaciones de colores y anticolores: combinaciones de los pares rojo/anti-verde, azul/anti-rojo, etc. Como hay tres colores y tres anticolores, hay nueve posibles combinaciones de color-anticolor, por lo que podría pensarse que debería haber nueve posibles gluones, pero sólo hay ocho: la razón es algo complicada (tiene que ver con la simetría de gauge de la cromodinámica cuántica) y, francamente, no sé explicarla de forma suficientemente sencilla como para entrar en ello aquí. Lo importante es que hay varios gluones con distintas combinaciones de colores. Pero eso no es lo raro:

Piensa en el fotón: es el responsable, por ejemplo, de la repulsión entre cargas del mismo signo. Un protón emite un fotón virtual, que “le pega un golpe” al otro protón y lo empuja lejos de él. Pero el fotón no tiene carga, de modo que dos fotones, por ejemplo, no se afectan para nada el uno al otro, y cuando el protón emite el fotón virtual, no interactúa con él, pues el protón tiene carga, pero el fotón no. Perfecto.

¡Pero un gluón tiene color! El gluón es el responsable de intermediar entre las partículas de color, pero él también lo tiene, de modo que tiene que intermediar consigo mismo intercambiando gluones, que deben intermediar consigo mismos intercambiando gluones, que… Es algo así como lo de “El barbero del pueblo afeita a todos los que no se afeitan a sí mismos. ¿Quién afeita al barbero?” El gluón sufre la fuerza de la que es el mensajero.

Las dos consecuencias más importantes de esta propiedad de que el gluón tenga la misma característica que controla son, por un lado, que la cromodinámica cuántica es muchísimo más complicada que la electrodinámica cuántica; y, por otro, que la interacción electromagnética llega muy lejos, pero la nuclear fuerte no, pero allí donde llega es intensísima.

Aunque se trate de una simplificación abyecta, piénsalo así: cuando un protón emite un fotón, el fotón emitido se va y no tiene nada más que ver con el protón. Sin embargo, cuando un quark emite un gluón, el gluón y el quark interaccionan mediante gluones, que interaccionan mediante gluones, que… ¡Se forma una especie de “hilo de pegamento” formado por gluones virtuales! Llega un momento en el que el gluón no puede ir más lejos: por eso el alcance de la fuerza nuclear fuerte es muy pequeño, de sólo unos 10-15 metros. Sin embargo, los fotones pueden ir tan lejos como quieran, de ahí que la fuerza electromagnética tenga alcance infinito.

Pero, por otro lado, si la partícula “de destino” está cerca, pasa lo contrario: el gluón interacciona con ella mediante gluones, que interaccionan mediante gluones, que… Se forma otro “hilo de pegamento”, de modo que, dentro de su alcance, la interacción nuclear fuerte es muy, muy, muy intensa: por eso se llama “fuerte”.

De hecho, la interacción nuclear fuerte es tan fuerte que separar dos quarks unidos por gluones es prácticamente imposible: de ahí que no veas quarks sueltos por ahí. Pero no sólo eso: ¡tampoco verás gluones sueltos, porque también sufren la interacción fuerte! Esos “hilos de pegamento” son, por naturaleza, muy cortos, de modo que los gluones no pueden irse por ahí, lejos de los quarks. Esta propiedad de los quarks y los gluones se denomina confinamiento: ambos están condenados a no estar nunca solos, siempre pegados. Ni qué decir tiene que una explicación formal del confinamiento es mucho más complicada que la historieta que acabo de contar, pero si te ha servido para entender más o menos por qué existe, perfecto.

Según dos quarks se separan, la energía aumenta: hace falta mucha energía para separarlos aunque sea un poquito. De hecho, llega un momento al tratar de separarlos en el que la energía que habría en el campo entre el par de quarks separados sería tan enorme que requiere menos energía que aparezcan quarks nuevos, y en ese momento realmente aparecen, de la nada, pares de quark-antiquark cerca de los quarks que estás separando, utilizando la energía del sistema, de modo que los quarks ya no estén solos. Sé que suena muy raro que aparezcan partículas de ninguna parte, pero recuerda que al separar los quarks -contra la interacción nuclear fuerte- estás dando muchísima energía al sistema, y energía y masa son caras de la misma moneda.

Puedes pensar, entonces, en el núcleo de un átomo como un conjunto de protones y neutrones: éstos están pegados unos a otros porque intercambian continuamente piones, como dijimos en artículos anteriores. Pero dentro de cada protón y neutrón hay quarks, que están “pegados” porque intercambian continuamente gluones. De modo que el núcleo de un átomo es un conjunto de quarks que intercambian partículas virtuales sin parar. Qué mundo más raro.

Pero lo raro no acaba ahí: teóricamente no es posible tener gluones aislados, pero sí grupos de gluones sin quarks. Una “partícula” hecha sólo de gluones no tendría masa, pero sí color, y se denomina glueball (“bola de pegamento” o, a veces, glubola). Aún no se ha observado ninguna, a pesar de que la energía para producirlas no es mayor que la que alcanzan los mayores aceleradores de partículas, y no sabemos bien por qué: tal vez no existan en la realidad, o tal vez se mezclen tan rápido con las otras partículas producidas que no nos haya dado, hasta ahora, tiempo a verlas.

Los gluones pueden ser raros, pero existir, existen: fueron detectados por primera vez en 1979 en el sincrotrón alemán Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), haciendo chocar electrones y positrones de mucha energía: se produjeron distintos hadrones y un chorro de gluones que, por supuesto, se desintegraron en pares de quarks formando más hadrones (dicho en “fino”, se hadronizaron) muy, muy rápidamente, pero ahí estaban durante un instante.

Salvo que se me haya pasado alguna (si es así, decídmelo y amplío esta parte de la serie), hemos hablado sobre todas las partículas interesantes del Modelo Estándar que sabemos que existen, de modo que en la próxima entrada de la serie hablaremos de la única que nos queda del modelo (antes de aventurarnos más allá), la partícula que los defensores del Modelo Estándar juran y perjuran que existe, pero nadie ha visto: el bosón de Higgs.