Historias de la Ciencia

La palabra quark es utilizada muchas veces por los físicos y el uso de la misma suele generar unos escalofríos bárbaros a la gente no acostumbrada a ella. Sería muy largo y complejo explicar las particularidades, las características y la física que encierra su naturaleza, pero lo que sí os puedo dar es un indicio de la existencia de los mismos y ese será el tema central de nuestra historia de hoy.

Imaginad que queremos ver un árbol. Para empezar, utilizamos como luz el Sol. Esos fotones de luz llegan al árbol, sus hojas, ramas y corteza. Podemos decir que todo ello dispersa los fotones de los cuales, algunos, llegan a un detector (nuestros ojos) que hace que los fotones pasen por una lente y podamos apreciar matices como color o intensidad. Se organiza toda esta información que va a la parte occipital de nuestros cerebros que después de un estudio llegan a la conclusión: oh!, un árbol!.

Ahora imaginemos que no tenemos ojos. Una forma de verlo sería poner un cañón que lanzara piedras y ponernos detrás del árbol con detectores de piedras. Si una piedra llega no ha encontrado nada, pero si no llega habrá chocado con el árbol o habrá sido desviada por el mismo. Podemos reconstruir una “silueta” borrosa de un árbol en función de lo grandes o pequeñas que sean las piedras, su velocidad, etc. Por ejemplo, si lanzamos las piedras con más velocidad o con tamaños más pequeños podremos, incluso, apreciar que tiene ramas. Sería algo así como una foto a contra luz.

Por supuesto, las cosas no son tan sencillas al querer observar la estructura de la materia. Las piedras con que hemos de bombardear deben ser muy pequeñas, pues si fueran grandes sería como si al árbol anterior quisiéramos reconstruirlo con piedras más grandes que el mimo árbol. En resumen: necesitamos partículas y darles velocidad y para ello existen los aceleradores de partículas.

A principios del siglo XX se pensaba que el átomo era una especie de sandía donde la carga negativa estaba distribuida uniformemente por ella y las cargas positivas eran las pepitas de la misma. Rutherford tuvo que bombardear los átomos con partículas alfa (núcleos de helio con 2 protones y 2 neutrones) para ver que había algo que fallaba. Y bien, ¿qué tenían de particular esas partículas alfa? Pues su velocidad, o lo que es lo mismo, su energía. Tal y como se suele decir que lo peligroso de las balas de una pistola es su velocidad y no la bala en sí, aquí sucede lo mismo. Las partículas alfa, por sí solas, no sirven. No serían más que el gas helio y no nos servirían para explorar la estructura del átomo.

Los aceleradores de partículas son capaces de trabajar con energías muy altas. Se pretendía que el llamado Supercolisionador Superconductor trabajara con energías de 40 TeV. Como todo, hay que poner las cosas en perspectiva. Esa energía es la que se desprende cuando encendemos una cerilla. Lo que pasa es que en una cerilla hay 10²¹ (1000 trillones) átomos en la reacción y cada uno de ellos libera 10 eV. La clave es que la energía con la que trabaja el acelerador se concentra en sólo dos partículas. Curioso, ¿no?. La única finalidad de todo el monstruoso complejo es dar esa miseria de energía a sólo dos partículas.

Por otro lado, cuando hablamos de velocidad de las partículas hemos de pensar que no podemos llegar a la velocidad de la luz. Por ejemplo, una máquina puede acelerar los protones al 99% de la velocidad de la luz. En ese caso tendrían unos 7 GeV (Bevatrón de Berkeley, 1955). Otro al 99,95% de dicha velocidad tendría una energía de 30 GeV (Brookhaven AGS, 1960) y otro acelerado al 99,999% tendría 200 GeV (Fermilab, 1972). Con la cantidad de dinero que cuesta todo esto, imaginaos explicar a un político que vote a favor de construir otro acelerador para obtener otro miserable 0,0009% de la velocidad de la luz.

Lo importante es que estas partículas con esas energías son el tipo de piedra con la que se golpean los átomos y otras partículas para ver su estructura.

El equipo de Robert Hofstadter utilizó electrones de 800 MeV y apuntó un haz bien dirigido de estos electrones contra un recipiente que contenía hidrógeno líquido (átomos con un protón). Y fijaos que esencialmente el experimento era el mismo que el de Rutherford que usó partículas alfa contra una delgada lámina de oro o el de nuestro árbol con las piedras; lo que pasa es que los proyectiles eran muchísimo más energéticos. Como además los electrones no responden a las fuerzas nucleares tendremos una ventaja añadida. De esta manera, los científicos de Stanford se dieron cuenta claramente que el protón no era un punto, sino que tenía un radio de 2,8*10^-13 cm. La carga se acumulaba en el centro y se desvanecía en los bordes. ¿No os parece una vulgar fotografía a contra luz?. Bueno, ese vulgar tiene sus matices y esos matices son los que llevaron a Hofstadter a ganar en 1961 el premio Nobel por sus primeras “fotografías” del protón.

El problema es que el grupo de Hofstadter podía ver sólo un punto borroso, pues la energía de los electrones era relativamente baja. Alrededor de 1968, los físicos de del Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) bombardearon protones con electrones de entre 8 y 15 GeV. Ahora ya no tuvieron un punto borroso. Los patrones de dispersión fueron totalmente diferentes. Esos electrones, esa luz dura, con que bombardearon los protones pusieron de manifiesto una subestructura interna donde había unos personajillos corriendo por allí dentro. Este experimento no contradice el anterior. El experimento de Hofstadter daba resultados medios porque el movimiento de los quarks emborronaba la imagen. Estos experimentos se repitieron, cómo no, en el Fermilab y en el CERN en fuerte competencia. Estos últimos fueron más lejos y los hicieron con otras partículas (con muones) que tenían nada menos que 150 GeV y luego los hicieron con neutrinos. Cada uno de los experimentos llegó a la misma conclusión: el protón está compuesto por tres subpartículas que recibieron el nombre de quarks.

Por si fuera poco, un análisis más detallado puso de manifiesto, además, otro tipo de partículas llamadas gluones.

Pues bien, resumimos. Desde Leucipo y Demócrito hasta nuestros días, la materia se compone de átomos cuya región central es el núcleo que está formado por protones y neutrones, o sea nucleones, que están a su vez compuestos por quarks que están compuestos por… ¡Cuidado! ¿Quién se atreve ahora a decir que hemos llegado al final del camino o que hay algo más allá?.

Creo que es algo sobre lo que podéis reflexionar hasta nuestra próxima historia.

Fuente:
“La partícula divina”, Leon Lederman