Qué es un quark: los ladrillos de la materia

Qué es un quark

Un quark es una partícula elemental: hasta donde alcanzan los experimentos actuales no tiene estructura interna ni está formado por componentes más pequeños. Tiene espín 1/2, es decir, es un fermión, y junto con los leptones (la familia a la que pertenecen el electrón y el neutrino) constituye el conjunto de fermiones de materia del Modelo Estándar de la física de partículas. Todo lo que llamamos materia ordinaria está hecho, en última instancia, de quarks y electrones.

Lo que distingue a los quarks del resto de partículas es una combinación de propiedades poco habituales. Tienen carga eléctrica fraccionaria (múltiplos de un tercio de la carga elemental e, la unidad de carga que porta el protón), llevan una propiedad adicional llamada carga de color que los somete a la fuerza nuclear fuerte, y nunca aparecen solos: siempre se encuentran agrupados formando partículas compuestas denominadas hadrones. El protón y el neutrón son los hadrones más conocidos.

Los quarks también intervienen de forma directa en ciertos procesos radiactivos. En la desintegración beta, un quark abajo de un neutrón se transforma en un quark arriba a través de la fuerza nuclear débil; el neutrón se convierte así en un protón y se emiten un electrón y un antineutrino electrónico. Es uno de los pocos casos en los que el comportamiento de un quark concreto se manifiesta en un fenómeno observable a escala de laboratorio.

Los seis tipos de quarks

Existen seis tipos de quarks, que los físicos llaman «sabores». Se organizan en tres generaciones o familias, cada una con dos quarks: uno de tipo «arriba», con carga eléctrica +2/3, y otro de tipo «abajo», con carga −1/3, expresadas siempre en unidades de la carga elemental e.

La primera generación la forman el quark arriba (up, u) y el quark abajo (down, d), los más ligeros y los únicos estables; son los que componen la materia cotidiana. La segunda generación añade el quark encanto (charm, c) y el quark extraño (strange, s). La tercera, la más pesada, la integran el quark cima (top, t) y el quark fondo (bottom, b); en español conviven las traducciones «cima» y «fondo» con las formas inglesas top y bottom, e históricamente se propusieron también los nombres «verdad» y «belleza», que no llegaron a imponerse.

A medida que se sube de generación, la masa del quark aumenta y su vida media se acorta: los sabores pesados se desintegran rápidamente hacia otros más ligeros a través de la fuerza débil. El quark cima es, con diferencia, el más masivo de todos: su masa es comparable a la de un átomo entero de un metal pesado como el tungsteno, pese a comportarse como un objeto puntual, y se desintegra tan deprisa que ni siquiera llega a formar hadrones. Cada quark tiene además su antipartícula correspondiente, el antiquark, con la misma masa pero con carga eléctrica y carga de color opuestas; es un ejemplo directo de la antimateria que predice la teoría cuántica de campos.

Carga fraccionaria: cómo forman protones y neutrones

La carga eléctrica fraccionaria de los quarks es una de sus señas de identidad y, en su día, uno de los motivos por los que costó tomarlos en serio: en la naturaleza libre nunca se observan cargas que no sean múltiplos enteros de e. Un quark arriba tiene carga +2/3 y un quark abajo, −1/3, y esas fracciones se combinan para dar precisamente las cargas enteras que sí observamos.

Un protón está formado por dos quarks arriba y uno abajo (uud): 2/3 + 2/3 − 1/3 = +1, la carga del protón. Un neutrón está formado por dos quarks abajo y uno arriba (udd): 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0, eléctricamente neutro. Estos tres quarks que definen la identidad de la partícula se llaman quarks de valencia.

El interior de un protón es, sin embargo, mucho más dinámico que ese esquema de tres bolitas: además de los quarks de valencia bulle un «mar» de parejas quark-antiquark que aparecen y desaparecen continuamente, junto a una nube de gluones que transmiten la fuerza fuerte. De hecho, la mayor parte de la masa del protón no procede de la masa de sus quarks -que apenas aporta un pequeño porcentaje-, sino de la energía asociada a ese campo de fuerza fuerte, en virtud de la equivalencia entre masa y energía. Para situar a los quarks en el mapa completo de la materia, conviene repasar las distintas partículas subatómicas.

La carga de color y la fuerza nuclear fuerte

Además de la carga eléctrica, los quarks poseen otra propiedad llamada carga de color, que puede adoptar tres valores denominados por convención rojo, verde y azul. No tiene nada que ver con el color visible: es solo un nombre pintoresco para la «carga» de la fuerza nuclear fuerte, del mismo modo que la carga eléctrica es la fuente de la fuerza electromagnética.

La teoría que describe esta interacción es la cromodinámica cuántica (QCD). En ella, la fuerza fuerte la transmiten ocho partículas mediadoras llamadas gluones que, a diferencia del fotón, llevan ellas mismas carga de color y por tanto interactúan entre sí. Esa autointeracción es la razón de que la fuerza fuerte se comporte de forma tan distinta al electromagnetismo.

La carga de color no se inventó por capricho: hacía falta para salvar el principio de exclusión de Pauli. Partículas como la Δ++ o la Ω− parecían contener tres quarks idénticos en el mismo estado, algo prohibido para fermiones; asignarles tres colores distintos resolvía la contradicción. De ahí se sigue que los hadrones observables sean siempre combinaciones «sin color»: o bien un quark de cada color (los bariones, como el protón), o bien un quark de un color y un antiquark del anticolor correspondiente (los mesones). Tanto los quarks como los gluones forman parte del cuadro de partículas descritas por el Modelo Estándar.

Confinamiento: por qué nunca verás un quark solo

Una de las propiedades más asombrosas de los quarks es el confinamiento: no es posible aislar un quark individual. Si se intenta separar dos quarks tirando de ellos, la fuerza entre ambos no disminuye con la distancia como ocurre con la gravedad o el electromagnetismo, sino que se mantiene aproximadamente constante, como si estuvieran unidos por una goma elástica cada vez más tensa.

Llega un punto en el que estirar esa «cuerda» de fuerza fuerte cuesta tanta energía que resulta energéticamente más favorable crear un nuevo par quark-antiquark. El resultado es que, en lugar de un quark libre, se obtienen dos hadrones nuevos. Por eso jamás se ha detectado un quark aislado: en los aceleradores, lo que se observa son chorros (jets) de hadrones que conservan la dirección y la energía del quark original.

El fenómeno complementario es la libertad asintótica, descubierta teóricamente en 1973 por David Gross, Frank Wilczek y Hugh David Politzer, trabajo que les valió el Nobel de Física en 2004. A distancias muy cortas, es decir, a energías muy altas, la interacción entre quarks se debilita y estos se comportan casi como partículas libres. Es justo lo contrario de lo intuitivo, y es lo que permite calcular con precisión lo que ocurre en las colisiones de los grandes aceleradores.

Historia: de una idea herética al quark cima

La idea del quark nació en 1964, cuando Murray Gell-Mann y, de forma independiente, George Zweig propusieron que la desconcertante multitud de partículas descubierta en los años cincuenta y sesenta podía explicarse si todas ellas estaban hechas de unos pocos componentes más fundamentales. Gell-Mann tomó el nombre «quark» de una frase del libro Finnegans Wake, de James Joyce: «Three quarks for Muster Mark». Zweig los había bautizado «ases», nombre que no prosperó.

Al principio muchos dudaron de que los quarks fueran objetos reales y no un simple recurso matemático de clasificación. La prueba llegó entre 1968 y 1969 con los experimentos de dispersión inelástica profunda en el acelerador lineal SLAC de Stanford: al bombardear protones con electrones de alta energía, los físicos vieron que estos se desviaban en ángulos grandes, como si rebotasen en pequeños centros duros dentro del protón, exactamente lo que cabría esperar si contuviera partículas puntuales. Ese trabajo valió el Nobel de Física de 1990 a Jerome Friedman, Henry Kendall y Richard Taylor.

El resto de sabores fue apareciendo con los años: el quark encanto en noviembre de 1974, con el descubrimiento simultáneo de la partícula J/ψ en el SLAC y en el laboratorio de Brookhaven; el quark fondo en 1977, con la partícula Ípsilon en el Fermilab; y, finalmente, el escurridizo quark cima, confirmado en 1995 por los experimentos CDF y DZero del propio Fermilab, cerca de Chicago. Con él quedó completo el retrato de las seis piezas.

Preguntas abiertas sobre los quarks

Aunque el cuadro de los seis quarks está sólidamente confirmado, quedan enigmas de fondo. ¿Por qué hay exactamente tres generaciones? Las medidas de la desintegración del bosón Z indican que no existen más familias ligeras del patrón conocido, pero la teoría no explica por qué el número es tres. ¿Y por qué las masas de los quarks abarcan un rango tan enorme, desde el ligerísimo quark arriba hasta el pesadísimo quark cima? El Modelo Estándar no predice esos valores: los incorpora como parámetros que hay que medir experimentalmente.

Otro frente muy activo es el estudio de la materia de quarks en condiciones extremas. A temperaturas y densidades altísimas, como las que reinaron en el universo primitivo durante los primeros microsegundos tras el Big Bang, los quarks y los gluones dejan de estar confinados en hadrones individuales y forman un estado llamado plasma de quarks y gluones, que hoy se recrea en colisiones de iones pesados en aceleradores como el LHC del CERN y el RHIC de Brookhaven.

Estas preguntas conectan con los grandes interrogantes abiertos de la física de partículas: el origen de la masa de las propias partículas elementales a través del bosón de Higgs, el funcionamiento de la fuerza nuclear débil, única capaz de cambiar el sabor de un quark, y la búsqueda de una teoría más profunda que explique de dónde salen estos números.

Los quarks en el contexto de la investigación energética

Comprender los quarks forma parte de un esfuerzo más amplio por descifrar cómo se comportan la materia y la energía en las escalas más pequeñas de la naturaleza. Ese mismo terreno -el de las partículas y los campos fundamentales- es el que explora la investigación en torno a la tecnología neutrinovoltaica del Neutrino Energy Group, un grupo de investigación con sede en Berlín que estudia si es posible obtener pequeñas cantidades de electricidad a partir de neutrinos y otras formas de radiación ambiental mediante materiales nanoestructurados.

Conviene ser preciso: los quarks no intervienen en el principio de funcionamiento propuesto para esa tecnología, y se trata de una línea de investigación en desarrollo, no de un producto disponible ni de un principio demostrado. Se mencionan aquí únicamente para situar el estudio de las partículas dentro de un contexto reconocible. Si te interesa el eslabón más ligero y esquivo de esta historia, puedes continuar con qué es un neutrino.