Zurich, 15 de julio de 2022 (Agencias).- Un grupo de científicos del Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), anunció recientemente el descubrimiento de nuevas partículas elementales a las que consideran exóticas. Se trata de un pentaquark y del primer par de tetraquarks.
Pero ¿qué son los quarks?
El primero en plantear la idea de su existencia fue el físico de origen estadounidense Murray Gell-Mann, quien los bautizó así en los años sesenta tomando como referencia la novela del escritor irlandés James Joyce denominada Finnegans Wake.
Los quarks tienen la peculiaridad de que están representados en una gran variedad de “sabores” y “colores”. Algo parecido a cuando vamos a una heladería y tenemos la oportunidad de elegir entre una miríada de opciones a pesar de que todos los helados están conformados por los mismos constituyentes fundamentales.
Y es que, como apunta Francisco J. Ynduráin en su libro Electrones, neutrinos y quarks (Ed. Crítica, 2001), “el color no era una propiedad meramente pasiva, sino que juega con respecto a las interacciones fuertes [las interacciones fuertes se dan en el interior de los átomos] el mismo papel que la carga eléctrica con respecto al magnetismo”. Por lo que el color, dice este autor, es una especie de carga fuerte, lo cual hace que los quarks adquieran características específicas para darle color y sabor a la materia.
El físico de origen estadounidense Murray Gell-Mann.Imagen: www.NobelPrize
Hasta ahora se sabe que los quarks, como los fotones y los electrones, son piezas indivisibles, por lo tanto, no pueden descomponerse en otras partículas aún más elementales y menores.
Además, los quarks, son los responsables de que se formen neutrones y protones, los elementos constituyentes de todos los átomos del universo.
Por otro lado, la diversidad de partículas elementales que hasta ahora se conocen, hacen del mundo y todo lo que lo rodea un sitio bastante complejo. Para comprenderlo en profundidad es necesario, pues, la existencia de grandes artilugios como los aceleradores de partículas del CERN que se encargan de realizar choques entre partículas a casi la velocidad de la luz con el fin de que los físicos se cercioren de que sus planteamientos teóricos sean correctos o no.
Por otro lado, el Modelo del Quark de Gell-Mann sugiere que los hadrones consisten en tres quarks (bariones) o pares de quarks-antiquarks (conocidos como mesones). Si bien muchos hadrones descubiertos se encuentran en una de estas dos categorías, el Modelo también plantea la hipótesis de la existencia de hadrones con estructuras más complejas como los pentaquarks (es decir, cuatro quarks y un antiquark) y también de tetraquarks (formados por dos pares de quarks y antiquarks).
Detectores ATLAS Y CMS del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Imagen: Shutterstock.
¿Qué son los bariones? La también llamada materia bariónica está formada, como ya he dicho, por tres quarks. Los más importantes son los que forman el núcleo del átomo a través del neutrón y el protón. Además, se cree que existen otros tipos de bariones que suelen ser muy inestables y, por lo tanto, desaparecen muy rápido– en cuestión de segundos.
Respecto a los hadrones que menciona el Modelo de Gell-Mann, éstos son partículas subatómicas formadas por quarks los cuales permanecen unidos gracias a interacción nuclear fuerte. Este tipo de interacción nuclear fuerte posee números cuánticos, por lo que su representación en términos matemáticos es generalmente sumamente abstracta y compleja.
Ahora bien: en los diversos instrumentos que conforman el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), los físicos pueden estudiar choques entre protones a muy altas energías, lo que promueve la producción de numerosas partículas muy densas y con mucha masa.
Por ejemplo, entre 2011 y 2012, la colaboración del LHCb (el LHCb es uno de los seis detectores que existen en el Gran Colisionador de Hadrones), analizó una pequeña fracción de datos recopilados en el LHC y encontró que la probabilidad de la producción simultánea de dos pares de quarks encanto-antiencanto a tan altas energías estaba lejos de ser baja, lo que sugiere que el colisionador podría permitir la observación de objetos pesados dobles, como el recientemente descubierto pentaquark así como del primer par de tetraquarks.
La estructura del átomo. Imagen: Shutterstock.
Este hallazgo permitirá a los físicos comprender mejor cómo los quarks se unen para formar otro tipo de partículas, las cuales podrían ayudar a poseer una comprensión más profunda en torno al universo de partículas que construyen y le dan forma a la realidad.
Pero ¿por qué es tan importante este descubrimiento?
Resulta que hace apenas unos días el LHC del CERN retomó operaciones después de estar fuera de funcionamiento desde 2019 debido a una serie de actualizaciones en sus detectores. Así, los cuatro experimentos de este acelerador de partículas -el CMS, ALICE, ATLAS y LHCb– tendrán a partir de ahora la capacidad de realizar mediciones y observaciones más precisas en torno al funcionamiento del mundo subatómico.
Y seguramente usted se preguntará ahora cuál es el futuro de la búsqueda de partículas. ¿Tendrá éste un límite? Las altas energías proporcionadas por el más ambicioso experimento en física de partículas, ¿podría terminarse en unos años sin que encontremos las tan ansiadas respuestas en torno a por qué la estructura de la realidad es como es?
De acuerdo con un muy interesante artículo editorial publicado el pasado 4 de julio en la revista Nature, titulado La física de partículas no va a morir, incluso si el LHC no encuentra nuevas partículas, sus autores plantean, entre otras cosas, que “en la búsqueda de respuestas, los físicos teóricos plantean de forma rutinaria hipótesis sobre la existencia de nuevas partículas, algunas de las cuales deberían de estar dentro de los límites de detección de los colisionadores existentes”.
Más adelante, en el texto se menciona que “algunos temen que el campo [de la física de partículas] esté en problemas si el LHC no puede encontrar nuevas partículas”. Y la solución sería invertir, pese a las críticas que existen al respecto, en la construcción de un nuevo colisionador que, eso sí, costaría miles de millones de dólares. Y la editorial cierra con la siguiente frase: “sin otro colisionador, el propio campo [de la física de partículas] pronto podría marchitarse”.
No obstante, el temor por no encontrar nuevas partículas no es tan legítimo como parece, ya que la finalidad del LHC no es encontrar solamente partículas, sino también buscar respuestas en torno a la simetría-asimetría que existe en el universo o por qué en éste pululan más partículas que antipartículas.
Representación de la materia y la antimateria. Imagen: Shutterstock.
También, se busca responder a la pregunta en torno a por qué existe antimateria y en qué cantidades se encuentra presente. Pero, sobre todo, qué papel juega ésta en la construcción del universo.
En fin, el campo de la física teórica apenas comienza a vislumbrar las respuestas esenciales en torno a por qué la realidad es como es. A por qué se formó la materia y, sobre todo, cuál es el papel que juega la consciencia y la razón humana en la solución de estas interrogantes.
Porque, finalmente, y como ya se ha dicho en incontables ocasiones, el universo se piensa a sí mismo gracias a la presencia de los seres humanos. Quizá también nosotros construimos esa parte de la realidad que está ahí para ser develada. Llena de sorpresas que aún no nos imaginamos.