El zoo y los quarks

En 1955, al recoger su Nobel, Willis Lamb bromeó con que antes descubrir una partícula se premiaba con un Nobel, pero que ya debería castigarse con una multa de 10 000 dólares. No exageraba mucho: la lista de partículas «elementales» crecía hacia el centenar. Este artículo cuenta cómo se domesticó el zoo — y qué se encontró en la jaula.

Más máquinas, más partículas

Dos inventos cambiaron el ritmo. Los aceleradores (el Cosmotrón de Brookhaven, 1952; el Bevatrón de Berkeley, 1954) fabricaban a demanda colisiones que antes había que esperar del cielo. Y la cámara de burbujas de Glaser fotografiaba cada colisión con detalle de milímetros. El resultado: para mediados de los sesenta se acumulaban más de cien hadrones — $\rho, \omega, \eta, \Delta, \Sigma, \Xi\ldots$ — y ninguna razón visible por la que la naturaleza necesitara tantos ladrillos «fundamentales».

La situación tenía un precedente exacto: la química del XIX, con decenas de elementos y sin explicación, hasta que Mendeléyev los ordenó en una tabla cuyos huecos predecían elementos nuevos. La física de partículas necesitaba su tabla periódica.

1961 · El camino óctuple

La encontraron Gell-Mann y Ne'eman: si colocas los hadrones en un plano con la extrañeza en un eje y la carga en el otro, se agrupan solos en figuras geométricas — octetos y decupletes. Gell-Mann lo bautizó el camino óctuple. Como toda buena tabla periódica, no solo ordenaba: predecía. El decuplete de bariones tenía nueve miembros conocidos y un hueco en el vértice.

1964 · Tres piezas bastan

¿Por qué funcionaban esas figuras? Gell-Mann y Zweig (independientemente) dieron la respuesta económica: porque los hadrones no son elementales. Bastan tres constituyentes — los quarks up, down y strange — con dos recetas: bariones = tres quarks, y mesones = quark y antiquark. El precio era escandaloso para la época: cargas eléctricas fraccionarias, +2/3 para el u y −1/3 para el d y el s. Y la misteriosa extrañeza quedaba desmitificada de golpe: es simplemente contar quarks s (con signo menos). La Λ «extraña» de 1950 era un uds; los kaones llevaban un s o un s̄.

Compruébalo tú mismo — todas las cargas salen enteras, se combinen como se combinen:

El propio constructor te lleva al problema que casi mata la idea: la $\Omega^-$ son tres quarks s idénticos en el mismo estado, con los espines alineados. El principio de exclusión de Pauli lo prohíbe tajantemente para fermiones. La salida (Greenberg, 1964) fue otro número cuántico nuevo: cada quark existe en tres variedades de carga de color — rojo, verde y azul, sin relación alguna con el color real. Los tres s de la Ω⁻ tienen colores distintos: Pauli satisfecho. Parecía un parche vergonzante; hoy es la base de toda la teoría de la fuerza fuerte, que por eso se llama cromodinámica.

¿Pero existen de verdad?

Durante años, ni el propio Gell-Mann se comprometía: llamaba a los quarks entidades «matemáticas». La razón era incómoda: nadie ha visto jamás un quark suelto. Se buscaron cargas fraccionarias en aceleradores, en rayos cósmicos, en agua de mar — nada. Hoy sabemos que es una propiedad de la fuerza fuerte, el confinamiento: separar dos quarks cuesta tanta energía que, a medio camino, esa energía se convierte en pares quark-antiquark nuevos. Tiras del quark y en vez de arrancarlo fabricas mesones. Es como intentar quedarse con un solo polo de un imán.

La prueba de existencia llegó por el mismo camino que el núcleo: disparar y mirar los rebotes. En 1968, en SLAC, electrones de 20 GeV lanzados contra protones rebotaban con ángulos grandes con demasiada frecuencia — la lámina de oro de Rutherford, reeditada 57 años después. Dentro del protón había puntos duros: tres, con cargas fraccionarias. Los quarks estaban ahí; solo que no se les puede sacar.

1974 · La revolución de noviembre

El 11 de noviembre de 1974, dos grupos que no sabían el uno del otro — el de Ting en Brookhaven y el de Richter en SLAC — anunciaron el mismo pico: una resonancia estrechísima a 3097 MeV/c². Se quedó con los dos nombres, $J/\psi$. Lo extraordinario era su anchura: unos 90 keV, cuando un hadrón típico de esa masa tiene anchuras de decenas de MeV. Por la relación $\tau = \hbar/\Gamma$, vivía mil veces más de lo que le tocaba — el mismo síntoma de «algo nuevo se conserva» que las partículas extrañas en 1947.

Lo nuevo era un cuarto quark: el charm, y la J/ψ es el mesón $c\bar{c}$. No fue una sorpresa total, sino algo mejor: Glashow, Iliopoulos y Maiani lo habían predicho en 1970 por pura consistencia de la teoría débil. Con el charm, el modelo de quarks pasó de contabilidad útil a física fundamental: en cuestión de meses aparecieron los hadrones con charm que la teoría exigía, con las masas correctas. El zoo tenía piezas, las piezas eran reales, y la década siguiente iba a completar el catálogo. Ese cierre — la tercera generación, los W y Z, el top y el Higgs — es el último artículo del módulo.

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