Entre los muchos neologismos científicos de este siglo, la palabra "quark" destaca con especial relieve. Confluyen en ella una nueva interpretación de la constitución de la materia, un referente literario específico, y una alegría de juego verbal, de provocación intelectual, de refrescante sorpresa, de festiva combinatoria entre ciencias y humanidades. Esta multiplicidad de resonancias, entre realidades y palabras, es la protagonista de este artículo.
Durante las décadas de los años 1950 y 1960, la
disponibilidad de aceleradores de partículas cada vez más
energéticos condujo al descubrimiento y a la producción de un
número cada vez mayor de partículas subatómicas. La
simplicidad del esquema de la materia elemental en los años 1930
(protón, neutrón, electrón, fotón) estalló en una diversidad
sorprendente y desbordante. Es importante saber que no es que las
partículas, al chocar unas contra otras, se rompan en fragmentos
más pequeños. El proceso es muy diferente: la energía de las
colisiones se convierte parcialmente en la masa de nuevas
partículas, tanto mayor cuanto mayor es la energía de la
colisión, según la célebre fórmula einsteniana E= mc^2.
En una docena de años, los físicos llegaron a conocer más de
trescientas partículas, la mayoría de ellas muy inestables.
Surgía pues el problema de cómo interpretar estos elementos de
realidad, perfectamente identificables pero efímeros. ¿Se debe
poner en cuestión la simplicidad y la permanencia del nivel más
profundo del mundo?. Ya Anaxágoras, en la antigüedad, había
propuesto que los constituyentes elementales del mundo eran
muchos y mudables, en contraste con las versiones más clásicas
del atomismo, que postulaban unos pocos tipos de átomos
inmutables. Durante una temporada, algunos físicos llegaron a
proponer el abandono del ideal platónico de la simplicidad del
mundo, suponiendo que todas las partículas eran igualmente
elementales, en lo que se vino a llamar "democracia
nuclear" o, con mayor precisión, "igualitarismo
hadrónico".
Pero la fe en la simplicidad es una de las grandes fuerzas
motrices de la física de partículas elementales.
Perseverantemente, se fue procediendo a una clasificación de las
partículas, atendiendo a diversas características. Según sus
masas, se dividieron en bariones (pesadas, como por ejemplo el
protón y el neutrón), mesones (de masa intermedia) y leptones
(ligeras, como por ejemplo el electrón). Resultó además que
éstas últimas son insensibles a la interacción nuclear fuerte,
en tanto que bariones y mesones responden a esta interacción.
Por ello, estos dos tipos de partículas fueron denominados
conjuntamente hadrones (fuertes). Los leptones (electrón, muón,
tauón y sus respectivos neutrinos) parecían comportarse como
partículas realmente elementales, mientras que los hadrones iban
revelando ciertas regularidades en su comportamiento.
En 1959, un físico japonés, S. Sakata, aventuró la idea de que
los hadrones estaban compuestos por protones, neutrones y
partículas lambda, recientemente descubiertar, y sus respectivas
antipartículas. Ello estimuló el interés de diversos
científicos en estudiar diferentes posibles agrupaciones de las
partículas, con independencia, incluso, de la idea concreta de
que éstas fueran compuestas. En 1961, Murray Gell-Mann, en el
Caltech (California Institute of Technology) y Yuval Neeman, en
el Imperial College de Londres, estudiaron los detalles
matemáticos de las simetrías de estos agrupamientos de las
partículas en grupos de ocho y de diez, según don números
cuánticos determinados (isopín y extrañeza). La estructura
matemática resultó corresponder a un grupo de simetrías
denominado técnicamente SU(3). Aquel mismo año, Gell-Mann
publicó un informe interno del Caltech, bajo el título
"The eightfolrd way" (La vía óctuple), una versión
ampliada del cual sería publicada en 1964, en colaboración con
Neeman. Este título tiene una doble resonancia: por un lado, se
refiere a los ocho generadores del grupo SU(3), y, por otro, se
inspira en la expresión "el noble camino óctuple" del
budismo, que indica cómo una persona debe conducirse en la vida
para cumplir ocho preceptos básicos del budismo. Efectivamente,
relacionar mecánica cuántica y filosofías orientales estaba y
sigue estando de moda, desde las primeras indicaciones en este
sentido de Schrödinger, uno de los fundadores de la mecánica
cuántica.
La propuesta SU(3) suscitó un entusiasmo muy escaso, pero se
reveló, en su abstracción, superior al modelo de Sakata, ya que
predecía el valor correcto del spin de las partículas xi (1/2)
a diferencia del modelo de Sakata, que predecía 3/2. La
propuesta SU(3) no recibió el espaldarazo hasta 1964. En julio
de 1962, Gell-Mann pudo efectuar una predicción concreta del
modelo, a saber, la existencia de una nueva partícula (omega
menos) de spin 3/2 y masa bien determinada. El descubrimiento de
dicha partícula a principios de 1964 puso el modelo SU(3) en
primera línea entre las teorías de hadrones.
Fue en aquel mismo año cuando Gell-Mann y G. Zweig,
independientemente el uno del otro, propusieron interpretar la
estructura matemática SU(3) como la consecuencia de que los
hadrones deberían estar constituidos por agrupaciones diversas
de tres partículas de carga eléctrica fraccionaria. Así,
después de un interludio de abstracción matemática se volvía
de nuevo a una imagen mental de composición de los hadrones,
como la que había dado pie a los primeros estudios de SU(3),
pero con unas partículas básicas desconocidas. Se había
llegado al concepto de quark. Veamos, ahora, el origen de su
nombre.
Toda realidad en expansión implica un problema de lenguaje:
cómo ir denominando los nuevos elementos que esta realidad pone
de manifiesto. En el Génesis, la primera tarea de Adán es,
precisamente, dar nombres a los pobladores del paraíso, como si
una realidad innominada fuera radicalmente incompleta. En la
filosofía clásica, los matices de la vida intelectual y moral
y, en la escolástica medieval, las inaferrables sutilezas de
Dios, fueron caudalosas fuentes de lenguaje abstracto. A partir
del barroco, la ciencia será el principal motor de tensión
verbal: la exploración de América planteó a botánicos y
zoólogos muchos problemas léxicos. A finales del siglo pasado,
la química requirió un esfuerzo de imaginación para nombrar
los nuevos elementos y compuestos que se iban descubriendo. La
técnica actual, con su proliferación de novedades, ha cargado
el lenguaje de neologismos, que ocupan cada vez más lugar en el
diccionario mientras va perdiéndose el léxico riquísimo de
viejos oficios caídos en desuso.
Cuando la nueva realidad tiene algo que ver con la conocida
anteriormente, se acostumbra a acudir a una combinación de
raices verbales, habitualmente griegas y latinas, cuya
yuxtaposición o hibridación adquirirá, bajo el empuje de la
novedad de lo que designan, un vigor propio y una vida fecunda.
Pero en ocasiones la palabra debe reflejar la apertura a un
enforque completamente nuevo. Esto fue lo que ocurrió con los
quarks.
Conviene saber que Gell-Mann, además de un gran físico de
partículas, es un enamorado de las lenguas y de los pájaros, y
que sus conocimientos en lingüística y en ornitología son
extensísimos. Además, tiene un gusto considerable por el juego
mental y las confluencias de sentidos diversos, como ya lo hemos
hecho notar al comentar el título de su libro "The
eightfold way". Según cuenta el mismo Gell-Mann, le vino a
la mente de una manera intuitiva y sorprendente la sonoridad "kwork" para
denominar a estas partículas. Como ocurre en poesía, estas
asociaciones son misteriosas e inexplicables. Durante algunos
días siguió pensando en el problema de cómo denominarlas. Fue
entonces cuando releyendo la novela "Finnegans Wake" de
James Joyce encontró la frase: "Three quarks for muster
Mark!" (libro segundo, capítulo cuarto, canción inicial).
La combinación del número tres y de una sonoridad análoga a la
que buscaba se le impuso luminosamente, arrolladoramente, y no
tuvo ya duda en denominar "quarks" a dichas
partículas. La frase de Joyce resonaba, se supone, en el fragor
de una taberna. También las nuevas partículas resultaban
misteriosas y resonaban en el fragor de la multiplicidad de los
hadrones. Y así quedó asignado el nombre de "quarks",
que fue escrito por primera vez en un artículo de Gell-Mann en
Physics Letters a principios de 1964. Zweig, por su parte, había
denominado "aces" (ejes) a sus tres partículas
hipotéticas.
De hecho, aunque en inglés la palabra quark resulte novedosa y
sorprendente, sin la esclavitud de sentidos anteriores, en
alemán designa un tipo de requesón o cuajada, y Goethe la
había utilizado, en forma algo equívoca, en uno de los versos
del Fausto ("Der kleine Gott… in jeden Quark begräbt
er seine Nase", el diosecillo… tiene que meter las
narices en todas partes), como designando los rincones más
remotos del mundo.
La suerte estaba echada. Un innovador del lenguaje, Joyce, y un
innovador de la física, Gell-Mann, confluían en un neologismo
que se iría abriendo camino entre los especialistas y entre el
público, que se convertiría en un idea básica de la visión
contemporanea de la naturaleza y que, como tal, regresaría a la
literatura en novelas y poemas, enriquecido con su nuevo
significado.
Hemos visto la génesis de una idea y de una palabra, pero
esto no es aún una realidad. La realidad nombrada por Gell-Mann,
era aún hipotética: nadie había observado los quarks. Es más,
el hecho de que su carga eléctrica fuera fraccionaria había
suscitado rechazos y escepticismo. El mismo Gell-Mann se había
sentido tan incómodo con esta idea, que estuvo contemplando
durante varios meses esta posibilidad sin atreverse a proponerla
en público y, cuando lo hizo, fue con la precaución adicional
de un adjetivo, hablando de "quarks matemáticos".
Surgía aquí la cuestión de si se trataba tan sólo de una
regla mnemotécnica eficaz e ingeniosa para recordar con
comodidad las propiedades de los hadrones, o de si respondía a
una realidad. La misma cuestión se había planteado a finales
del siglo pasado acerca de la realidad de los átomos.
En la primera versión del modelo había tres tipos de quarks:
u (up, arriba), d (down, abajo) y s (strange, extraño), cuyas
cargas respectivas, en función de la del protón, son
respectivamente 2/3, -1/3 y -1/3. Los nombres up y down se
refieren a las posiciones del isospín, uno de los números
cuánticos utilizados para clasificar las partículas, y strange
se refería a la extrañeza, el otor número cuántico que había
sido utilizado para agrupar los hadrones en grupos de ocho y de
diez. Según la nueva teoría, el protón y el neutrón dejaban
de ser considerados partículas elementales para pasar a ser
vistos como formados por tres quarks: uud el protón y udd el
neutrón: toda una revolución. Asimismo, todos los hadrones
conocidos hasta la fecha podían interpretarse como combinaciones
de tres quarks (los bariones) o de un quark y un antiquark (los
mesones).
Pese a un cierto escepticismo, diversos laboratorios empezaron
afanosamente la búsqueda de los quarks, es decir, de partículas
de carga eléctrica fraccionaria. Los resultados fueron, una y
otra vez, negativos. Los primeros resultados experimentales en
apoyo de la existencia real de los quarks se obtuvieron en 1969,
en el acelerador lineal de Stnaford. Se lanzaron electrones muy
energéticos contra neutrones y protones, y se estudió la
distribución de las direcciones en que aquéllos eran
dispersados tras la colisión. Los resultados correspondían a la
dispersión producida por tres partículas de carga eléctrica
fraccionaria que se movieran libremente en el interior del
protón y del neutrón. Quedaba claro que protón y neutrón no
son elementales sino compuestos, de acuerdo con la teoría de los
quarks.
La constatación de que los quarks parecieran moverse
libremente en el interior de los hadrones aumentaba la
perplejidad. Vista la dificultad de romper un hadrón en quarks
aislados, parecía normal pensar que los quarks estarían
profundamente ligados el uno al otro y, no obstante, parecían
coexistir casi libremente! ¿Cómo conciliar esta libertad
asintótica a distancias cortas con el confinamiento o dificultad
de separación? ¡Qué contraste con la fuerza electromagnética
o gravitatoria, cuya intensidad decrece a medida que aumenta la
separación entre las partículas! Y, por otro lado, si los
quarks interactúan con tanta intensidad cuando están alejados,
¿por qué el protón y el neutrón del núcleo de deuterio, por
ejemplo, no se colapsan en una única combinación conjunta de
seis quarks?.
La solución a estas dificultades vino de otra dificultad. Como
los quarks tienen spin 1/2, deben satisfacer el principio de
exclusión de Pauli, que impide que haya dos partículas
idénticas en un mismo estado cuántico. Por ello, ciertas
combinaciones de tres quarks deberían estar prohibidas (dos
quarks del mismo tipo podrían coexistir si uno tuviera spin
hacia arriba y el otro spin hacia abajo). Por ejemplo, la
combinación sss para dar una partícula de spin 3/2 debiera
estar prohibida y, sin embargo, se halla en la naturaleza. Tras
diversas propuestas fallidas, Han y Nambu propusieron en 1965 que
los quarks, además de distinguirse por su "sabor" (u,
d, s), se distinguían también por otro atributo triple, el
"color" (rojo, azul o verde). De hecho, nada tiene que
ver este atributo cuántico con el color que percibimos por la
visión. Este atributo permitiría que tres quarks idénticos,
salvo por el color, pudieran coexistir. Fue posible demostrar que
sólo las agrupaciones "incoloras" de tres quarks de
colores complementarios o de un quark y un antiquark del mismo
color podían darse en la naturaleza, lo que permitía dar una
base a la sistematización ad hoc de estas combinaciones
especiales.
Por otro lado, se advirtió que era precisamente este nuevo
atributo el que actua como "carga" de la interacción
fuerte entre quarks. Esta interacción puede ser descrita
asimismo, según la mecánica cuántica, como un intercambio de
partículas intermediarias o "cuantos" de la
interacción, que son, en este caso, ocho partículas denominadas
"gluones" ("glue" significa pegamento en
inglés). En analogía con la electrodinámica cuántica, teoría
cuántica de la interacción electromagnética, se denomina
"cromodinámica cuántica" a la descripción de esta
nueva interacción. A diferencia de los fotones intercambiados en
la interacción electromagnética, y que no interactúan entre
si, los gluones sí interaccionan entre ellos, ya que también
ellos contienen cargas de color, y ello hace que la intensidad de
la fuerza aumente con la distancia, en vez de decrecer. El
estudio detallado de estas fuerzas ha conducido a novedades
considerables en ciertas ramas de las matemáticas, como por
ejemplo la topología. En la actualidad, la interacción nuclear
fuerte entre protones y neutrones (o entre hadrones en general)
ya no se considera como una interacción fundamental, sino como
una consecuencia de la interacción cromodinámica o fuerte entre
los quarks que componen los hadrones.
Una vez nombrada, la realidad se multiplica. También ello
ocurre con los quarks. Si bien la teoría original proponía tres
quarks, no tardó en plantearse la posibilidad de nuevos quarks;
en concreto, se pensó en modelos de cuatro quarks y de seis
quarks. Al principio, los argumentos eran de tipo estético. En
1970, Glashow y colaboradores demostraron que un cuarto quark
(denominado c, charm o encanto, uno más de los nombres
excéntricos utilizados en la física de partículas elementales)
podría resolver ciertos problemas relacionados con ciertas
corrientes neutras cuyo análisis alargaría excesivamente este
artículo. En noviembre de 1974, Richter y Ting,
independientemente, descubrían un nuevo mesón J/psi, que no
podía interpretarse en términos de los quarks u, d y s, pero
sí como combinación del quark c con su antiquark. La
excitación fue tan grande que se evoca aquel momento como la
"revolución de noviembre". Inmediatamente se pensó en
un modelo de seis quarks, añadiendo los quarks b (bottom, fondo)
y t (top, encima) a los cuatro observados. En 1977, Lederman
descubrió un nuevo mesón, muy pesado, interpretable en téminos
del quark b y su antiquark. Hasta 1994 no se han tenido
evidencias suficientes del quark t, largamente esperado, cuya
masa es superior a la de un núcleo de oro. Conviene subrayar que
no es posible definir los quarks como partículas que constituyen
los átomos, ya que en los protones y neutrones sólo se hallan
los quarks u y d, pero no los restantes.
¿Podríamos pensar en seguir incrementando la lista de quarks
indefinidamente?. La respuesta es negativa. La teoría actual o
modelo estándard considera como partículas elementales los
quarks y los leptones, y los agrupa en tres generaciones de masa
creciente: (u, d, electrón, neutrino electrónico), (s, c,
muón, neutrino muónico), (b, t, tauón, neutrino tauónico).
¿Podría haber más generaciones, cada una de ellas más
pesada?. A finales de 1980 se demostró que si el número de
familias fuera superior a cinco, el contenido de helio primordial
en el universo hubiera sido incompatible con el observado. Este
límite superior al número de generaciones pudo ser reducido a
principios de los 90, en experimentos realizados en el CERN sobre
el ritmo de desintegración de los bosones intermediarios de la
interacción electrodébil (interacción que unifica las
interacciones electromagnética y nuclear débil). Estos
experimentos llevan a excluir la existencia de una cuarta familia
(a no ser que el neutrino perteneciente a ésta fuera muy pesado
en lugar de tener masa nula).
Toda realidad nos lleva a pensar en la posibilidad de una
realidad más profunda y simple; ésta ha sido una larga y
fructífera tradición occidental. La física no se da por
satisfecha con el modelo estándard de las partículas: no
explica porqué la carga del protón es igual, en valor absoluto
a la carga del electrón; no predice la masa de los quarks; no
relaciona con profundidad leptones y quarks; no explica porqué
hay tan sólo tres generaciones de partículas;... Por ello, se
estudian nuevas teorías que pueden unificar en una sola
interacción la interacción fuerte y la electrodébil. Algunas
de las teorías existentes en este sentido son muy elegantes
matemáticamente pero hacen predicciones (como la muerte del
protón) excluidas por la experimentación.
Por otro lado, se plantea la cuestión de si los quarks y los
leptones son realmente fundamentales o son la manifestación de
una realidad más profunda y unificada. Las teorías más
ambiciosas, como las de supercuerdas, intentan incluir también
la gravitación, para unificar así en una sola interacción
todas las interacciones conocidas. Según estas teorías, en fase
de elaboración, los constituyentes básicos de la materia no
serían partículas puntuales en un espacio-tiempo de cuatros
dimensiones, sino cuerdas en un espacio-tiempo de diez
dimensiones. Distintos modos de vibración de esta cuerda
elemental darían lugar a las diferentes partículas que hoy
consideramos elementales, en lo que podríamos ver, en cierto
modo, como una versión modernizada de las armonías
pitagóricas. Estamos aún lejos de poder hacer afirmaciones
concluyentes en este campo especulativo, plagado de dificultades
matemáticas.
En definitiva, el quark ocupa en la cultura contemporánea un
papel tan importante como el que ocupó el átomo en su día,
tanto por la elegancia de su sistematización de las partículas
hadrónicas como por la profundidad de las preguntas que nos
lleva a plantearnos. El camino recorrido en apenas 30 años,
desde el "bautizo" de los quarks hasta el
descubrimiento del último quark ha sido enorme. Pero la física
de las partículas elementales sigue llena de cuestiones que nos
siguen desafiando y estimulando.