El confinamiento de los quarks

¡El quark, una partícula extraña!

Los quarks, leptones y bosones son las partículas elementales que componen toda la materia que conocemos.

Estos constituyentes cuánticos se describen mediante el modelo estándar de partículas elementales que se hizo creíble gracias a la confirmación experimental de los quarks (1995), el neutrino (2000) y el bosón de Higgs (2012).

Los componentes del protón y el neutrón son partículas compuestas, no elementales, y forman parte de un extraño ensamblaje de quarks y gluones. El vínculo que une a los quarks es la fuerte interacción nuclear a veces llamada fuerza de color.

Sin embargo, los protones y neutrones no son las únicas partículas formadas por quarks. Alrededor de un centenar de otras partículas muy efímeras (mesones) están formadas por quarks y gluones (pion, muon, kaon, eta, rho, phi, ípsilon, lambda, etc.). Todos los mesones son inestables y tienen una vida útil muy corta entre 10^-8 y 10^-23 segundos. Pero la única partícula verdaderamente estable de esta diversidad es el protón con una vida útil de alrededor de 10²⁹ años. Aunque los neutrones unidos en un núcleo atómico son relativamente estables, cuando están libres se desintegran después de 880,3 segundos (≈ 15 minutos).

Los quarks no se pueden separar

No podemos diseñar un quark por sí solo porque cuanto más tratamos de separar los quarks y más controla la interacción nuclear fuerte, el acoplamiento entre los quarks aumenta con la distancia. En otras palabras, cuanto más cerca están, menos interactúan. Por el contrario, cuanto más se alejan los quarks, más la fuerza nuclear adquiere un comportamiento elástico que los obliga a permanecer juntos.

Este fenómeno llamado "confinamiento de quarks" está ligado a la propiedad de libertad asintótica de interacciones fuertes que actúan sobre partículas con carga de color. Para acoplamientos debidos a otras interacciones fundamentales (electromagnéticas, débiles y gravitacionales) es al revés, disminuyen con la distancia.

La teoría nos dice que incluso cuando los quarks se disocian, la interacción fuerte obliga a los quarks a volver a asociarse entre sí para formar hadrones. Es decir mesones formados por un quark y un antiquark o bariones formados por tres quarks como protones y neutrones.

Dentro de los hadrones, el fenómeno de aparición y desaparición de partículas ocurre a un ritmo tremendo. Parece un mar de números variables de quarks y gluones que deforman continuamente el núcleo en una coexistencia de formas. Nuevos pares de quark y antiquark se materializan todo el tiempo. Un sinfín de quarks y antiquarks aparecen en el nucleón en un baile frenético sin ni siquiera poder salir de la pista.

Si, tras una colisión energética, un quark abandona el nucleón, inmediatamente crea un nuevo ensamblaje de quarks y gluones (según la relación E=mc²) que puede dar lugar a un pión, un kaón, un rho... sin dejar un quark solo.

La teoría física que describe la interacción fuerte, que explica la composición de los núcleos y que permite calcular la masa de quarks y gluones, se llama cromodinámica cuántica (QCD). El QCD fue propuesto en 1973 por H. David Politzer (1949-), Frank Wilczek (1951-) y David Gross (1941-)

Cuando medimos la masa de un protón (2 quarks u + 1 quark d) y la masa de un neutrón (1 quark u + 2 quarks d) no encontramos la masa de sus constituyentes.

Masa del protón = 1,673 yg (1,673x10^-24 g).

Masa de neutrones = 1,675 yg.

Masa de un quark u = 0,004 yg.

Masa de un quark d = 0,009 yg.

¡La masa de los quarks solo representa aproximadamente el 0.02% de la masa de los nucleones!

Entonces, ¿a dónde se ha ido la masa perdida?

La masa que falta es la energía cinética y la energía de interacción fuerte (E=mc²) que agitan y mantienen unidos a los quarks.

Debido a una propiedad conocida como confinamiento, los quarks no se pueden aislar. Están fuertemente vinculados por un intercambio de partículas eléctricamente neutras, que llevan una carga de color, llamada gluones.

Lo más extraño es que la partícula (pion, kaon, etc.) que se produjo por la colisión no rompió el nucleón, los quarks quedaron confinados en el núcleo como antes de la colisión.

La fuerza de interacción nuclear fuerte aumenta con la separación de los quarks y disminuye cuando se juntan fuertemente, de ahí la representación de los resortes.

Si se tira del resorte con mucha fuerza, el gluón se desintegra y la energía que contiene se transforma en un par de quark antiquark. Por el contrario, un par de quark antiquark puede fusionarse y desaparecer restaurando energía al gluón. La imagen correcta de la estructura interna de un protón o un neutrón no sería la imagen de tres quarks bastante distintos unidos por gluones, sino más bien la imagen de un mar difuso de quarks, antiquarks y gluones que aparecen y desaparecen, que se unen y aflojar sin cesar. Pero al final siempre hay tres quarks más que antiquarks, 2 arriba + 1 abajo para 1 protón y 2 abajo + 1 arriba para un neutrón.

Es esta misteriosa estructura dentro de los núcleos la que permite que los átomos encuentren la mejor manera de unirse.

nota: El confinamiento de color es una propiedad de las partículas elementales que poseen una carga de color: estas partículas no pueden aislarse y se observan solo con otras partículas de modo que la combinación formada es blanca, es decir que su carga de color total es cero. Esta propiedad está en el origen de la existencia de los hadrones. El fenómeno se describe en el contexto de la cromodinámica cuántica.

Imagen: la materia está formada por quarks confinados

Imagen: Modelo estándar de partículas elementales

Imagen: El confinamiento de los quarks.

Los quarks y gluones dentro de los protones están conectados por tubos de flujo magnético coloreado. Si el tubo se rompe, se forman nuevos tubos entre los quarks presentes.

En la actualidad, solo se conocen dos tipos de hadrones: mesones, donde un quark se asocia con un antiquark con su anticolor, y bariones, donde tres quarks con los colores rojo, verde y azul se combinan para formar una partícula blanca (esta propiedad está en el origen del término color para la carga de interacciones fuertes, ya que recuerda la síntesis aditiva de "colores verdaderos").