Los quarks han dado cuatro Premios Nobel, el último otorgado este año al investigador adjunto del CECS, Frank Wilczek.
Junto a David Gross y David Politzer, Wilczek, en ese momento un estudiante de física de 21 años, descubrió la propiedad de libertad asintótica de la cromodinámica cuántica (o QCD, en su sigla en inglés), que es la teoría de los quarks. Los quarks son considerados parte del puñado de constituyentes básicos de toda la materia del universo.
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El físico estadounidense Murray Gell-Mann dijo que el nombre quark le fue inspirado por la frase Three quarks for Muster Mark en el poema Finnegan's Wake (El despertar de Wake) del escritor irlandés James Joyce. Lo llamativo para Gell-Mann era el número tres. Los bariones, partículas como el protón y el neutrón entre otros, están formados por tres quarks cada uno.
Gell-mann y separadamente el también estadounidense George Zweig postularon, en 1964, que una parte importante de las partículas subatómicas conocidas en ese entonces podía ser explicada a partir de los quarks, que serían las verdaderas partículas fundamentales de la naturaleza. Desde entonces, junto a los leptones, el electrón, el muón, el tau y los respectivos neutrinos, los quarks se consideran los ladrillos básicos del universo.
A partir de esas ideas fue posible entonces elaborar una explicación de la interacción fuerte, una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. La teoría desarrollada fue conocida como
cromodinámica cuántica. |
Los quarks tienen carga fraccionaria
La teoría de los quarks reveló sorprendentes particularidades. La primera es que la carga eléctrica de los quarks es una fracción de la carga del electrón, carga considerada como la unidad fundamental. Esta propiedad podría haber destruido por sí sola la teoría de los quarks, si no hubiera sido por su éxito para predecir nuevas partículas que fueron encontradas experimentalmente.
El confinamientoPero, también, la misma teoría predice el confinamiento de los quarks. Esto impide que podamos encontrar quarks aislados. Así, se soluciona el problema que podría haberse producido si hubiera sido posible detectar objetos que no satisfagan la cuantización de la carga en unidades de la carga del electrón.
El confinamiento, sin embargo, plantea un problema importante. Lo habitual es que una fuerza disminuya con la distancia, como es el caso del electromagnetismo, por ejemplo. El confinamiento de los quarks se debe a que la interacción se haría cada vez más fuerte si intentáramos separalos.
En la teoría cuántica de campos no es en general posible hacer cálculos predictivos sin recurrir a un método de aproximaciones sucesivas. Lo más común es suponer que la interacción es débil a grandes distancias -o bajas energías de los elementos interactuantes. Como vemos, el confinamiento de los quarks dice que ocurre todo lo contrario.
La libertad asintótica
Sin embargo, la solución vino en el importante descubrimiento realizado por David Gross, David Politzer y Frank Wilczek, en los 70, de la libertad asintótica de la cromodinámica cuántica. Es en el límite de distancias pequeñas entre quarks o, equivalentemente, de altas energías, que los quarks interactúan débilmente entre sí. La interacción fuerte puede estudiarse aproximada-mente en el límite de altas energías.
