La materia podría esconder algo más que los quarks

Por Julio García G. / Periodista de Ciencia

Cuando hablamos de partículas –como de protones y neutrones– casi siempre la representación mental que tenemos de ellas es como pequeñas canicas o bolitas que giran. 

Sin embargo, esta forma de concebirlas no coincide con la realidad ya que el comportamiento de las partículas y de los átomos es mucho más complejo debido a que actualmente las partículas no se entienden solamente como pequeños objetos, sino también como excitaciones de campos cuánticos. 

Por ejemplo, el protón es uno de los componentes de los átomos y su número bariónico siempre ha estado asociado a sus tres quarks de valencia. 

Pero, antes que nada, ¿qué es un barión? y, en última instancia, ¿qué son los quarks?

Un barión, en términos muy sencillos, es una partícula formada por tres quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte. Esta última es una interacción fundamental de la naturaleza (así como la fuerza nuclear débil y la gravedad) y sirve para mantener unida a los protones y neutrones en el núcleo atómico.  

Los quarks, por su parte, son partículas elementales que le dan estructura a los protones y a los neutrones. Cada protón está formado por tres quarks: dos up y uno down. Curiosamente, existen en la naturaleza seis tipos o “sabores” de quarks, aunque la materia ordinaria está formada básicamente por los up y los down (el neutrón está formado por un up y dos down). 

En la prolífica fauna de partículas que le dan sentido y forma a todo lo que nos rodea, incluyéndonos a nosotros mismos, a los planetas, a las estrellas y al Universo en general, el número bariónico –el cual es una propiedad de las partículas, no una partícula en sí misma– resulta fundamental para comprender cómo los quarks se organizan y se unen unos con otros. 

Y, durante décadas, se ha considerado natural pensar que el número bariónico de un protón está asociado a sus tres quarks. 

No obstante, una hipótesis propuesta en la década de 1970 plantea algo muy diferente: que el número bariónico podría estar relacionado no directamente con los tres quarks que forman al protón, sino con una estructura del campo de gluones conocida como unión bariónica. Dicha unión –en inglés se le denomina baryon junction– está representada en forma de Y. Además, sus tres extremos están conectados con los tres quarks. 

Los gluones, que son partículas fundamentales que sirven como una especie de pegamento bastante poderoso, mantienen a los quarks unidos. 

Ahora bien, recientemente un grupo de físicos de la colaboración STAR (esta reúne a más de 600 investigadores de 55 instituciones y 12 países) se dio a la tarea de analizar colisiones realizadas con el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory de Estados Unidos, un acelerador de iones pesados (los resultados fueron publicados en la revista Science).

Y lo que encontraron tras los experimentos es que los quarks de valencia poseen carga eléctrica, mientras que la unión bariónica (la estructura en forma de Y) no.  Por consiguiente, si el número bariónico estuviera íntimamente ligado a los quarks, al producirse las colisiones se esperaría una relación determinada entre el transporte de carga eléctrica y el número bariónico. 

Pero resulta que, para su sorpresa, encontraron algo diferente: la señal asociada al número bariónico aparece a distancias mayores que la correspondiente a la carga eléctrica. Esto resulta difícil de explicar si se supone que el número bariónico viaja con los quarks de valencia. En cambio, el resultado encaja mucho mejor con el modelo de la unión bariónica. 

En otras palabras, lo que halló este grupo de investigadores puede ser entendido de la siguiente manera: imaginemos que los físicos provocan un choque muy energético a través de un acelerador de partículas y que posteriormente observan hasta dónde llegan dos propiedades: la carga eléctrica (que sabemos que llevan los quarks) y el número bariónico (que identifica a partículas como protones y neutrones como bariones) De hecho, protones y neutrones son materia bariónica. 

Ahora bien, lo más sencillo es pensar que tanto la carga eléctrica como el número bariónico viajan juntos con los quarks. Es decir: si los quarks se desplazan a cierta distancia después de la colisión, tanto su carga eléctrica como el número bariónico deberían aparecer aproximadamente en los mismos lugares. 

Pero curiosamente no fue esto lo que observaron.

Más bien, lo que atestiguaron es que el número bariónico podía aparecer más lejos que la carga eléctrica asociada a los quarks y es como si ambas propiedades se hubieran separado. 

Para los investigadores esto posee una interesante interpretación: que, en realidad, el número bariónico no necesariamente se transporta únicamente por los quarks de valencia. De hecho, podría estar asociado a una estructura formada por el campo de gluones (las partículas-pegamento de las que hablaba en párrafos anteriores) que conecta con los quarks: la llamada unión bariónica que tiene forma de Y. 

Si el número bariónico puede ser transportado a regiones distintas de aquellas a las que llegan los quarks de valencia ¿entonces nos encontramos ante una nueva física hasta ahora desconocida?

Definitivamente no nos encontramos ante una nueva física porque no se ha descubierto una nueva partícula ni fuerza; más bien lo que se está cuestionando es nuestra imagen intuitiva de cómo una propiedad fundamental de protones y neutrones está distribuida y es transportada dentro de ellos. 

En cambio, lo que sí podría suceder es que esta novedosa forma de comprender el número bariónico, y cómo está constituida realmente la materia, sirviera para profundizar en cuestiones tales como el desequilibrio entre materia y antimateria o por qué existe el Universo tal y como lo conocemos. ¿Pudo haber sido este de otra manera? ¿Pudo no haber existido nunca? Y, si no hubiera existido, ¿qué habría en su lugar?

Los interesantes experimentos que los físicos realizan, junto con las observaciones, parecen ser el único camino para comprender la naturaleza de las cosas. Aunque instrumentos como las matemáticas nos ayudan a realizar potentes predicciones, siempre es a través de la experimentación y la observación como podemos validar o invalidar lo que pensamos y creemos de la realidad. 

El día en que la experimentación termine –por causas como los límites de la propia tecnología– ese día la ciencia sufrirá uno de sus mayores reveses porque no tendremos como hacer válidas nuestras hipótesis. Afortunadamente esto no ha sucedido y la tecnología nos está permitiendo acercarnos cada vez con mayor precisión y profundidad al mundo atómico y subatómico, así como al Universo de lo muy grande, al de planetas, estrellas y galaxias. 

Lo que imaginemos de estos dos “mundos” –que aparentemente no están relacionados– en realidad podrían estar más conectados de lo que pensamos; solamente falta encontrar el hilo conductor que pueda reconciliar la mecánica cuántica (que explica una gran cantidad de aspectos del microcosmos) con lo macroscópico (la Teoría de la Relatividad General de Einstein se encarga de explicar la gravedad y el espacio-tiempo). 

Para que esto suceda todavía falta mucho camino por recorrer y la inteligencia artificial nos puede servir de gran ayuda. Esta última, por poner un ejemplo, ya ha encontrado algoritmos más eficientes para multiplicar matrices, un problema fundamental de las matemáticas y la informática. 

Por otro lado, la búsqueda de sentido de todo aquello que nos rodea es lo que finalmente justifica que se invierta mucho dinero en artilugios como los colisionadores de partículas. Estos están permitiendo una aproximación más profunda en la búsqueda de la verdad y de nuestro papel en el Universo, en donde pasamos de ser simples espectadores a constructores de una realidad que a nuestros ojos pareciera oculta y misteriosa.