Quarks, Descubrimiento de

El siglo XX comenzó con la confirmación de que la materia no era continua, sino hecha de pequeños átomos y moléculas. Terminó con la confirmación de que la materia está hecha, en parte, de objetos aún más pequeños llamados quarks.

Los átomos consisten en núcleos y electrones, y los núcleos consisten en neutrones y protones. Sin embargo, en 1950 el protón y el neutrón se consideraban los componentes elementales finales de la materia. El pión era el portador de la fuerza fuerte que atraía protones y neutrones para formar núcleos, al igual que el fotón era el portador de la fuerza electromagnética que unía electrones y núcleos en átomos. Pero para 1962 se habían descubierto muchas partículas nuevas e inesperadas. Primero se agruparon en familias llamadas múltiplos y se describieron de la Manera Óctuple. En 1966 quedó claro que ninguna de las nuevas partículas podía ser realmente elemental. El neutrón, el protón y el pión no eran cualitativamente diferentes como el electrón y el fotón; ellos y todas las nuevas partículas de interacción fuerte llamadas bariones y mesones se construyeron con los mismos bloques de construcción aún más pequeños que ahora se llaman quarks.

El Camino Óctuple en sí mismo había sido desconcertante porque no daba ninguna razón por la que se encontraran múltiplos particulares. Al igual que la tabla de Mendeleev de los elementos químicos, proporcionó una forma de clasificar los llamados «constituyentes elementales de la materia», pero su mismo número sugería que no todos podían ser elementales.

En 1963 Hayim Goldberg y Yuval Ne’eman señalaron que todas las partículas conocidas podían construirse matemáticamente a partir de los mismos tres bloques de construcción, ahora llamados quarks up (u ), down (d) y strange (s), junto con sus antipartículas, ahora llamadas antiquarks.

En 1964 Murray Gell-Mann y George Zweig se atrevieron a proponer que estos eran, de hecho, los bloques básicos de la materia. Pero surgió una grave dificultad. El electrón, el neutrón, el protón y el pión se descubrieron experimentalmente como partículas aisladas que podían detectarse y crearse individualmente y cuyas trayectorias a través del espacio podían determinarse. Sin embargo, con la tecnología actual, los científicos todavía no son capaces de crear o estudiar quarks individuales. Pero los científicos ya creían que la materia consistía en átomos y moléculas mucho antes de que alguien los hubiera creado o detectado individualmente. Quizás los descubrimientos futuros hagan posible la creación y detección de quarks.

No hay respuestas simples a las preguntas de quién descubrió el átomo, quién descubrió el quark, y cómo se estableció la realidad de los átomos y los quarks. Una posible respuesta aparece en el libro de E. D. Hirsch Jr. Las Escuelas que Necesitamos y Por qué no Las tenemos: «La comunidad científica llega a conclusiones mediante un patrón de convergencia independiente (una especie de triangulación intelectual), que junto con la predicción precisa, es uno de los patrones de fomento de confianza más poderosos en la investigación científica. Hay pocos o ningún ejemplo en la historia de la ciencia cuando el mismo resultado, alcanzado por tres o más medios verdaderamente independientes, ha sido anulado» (p. 159). Hirsch cita la biografía de Einstein de Abraham Pais como ejemplo de esta convergencia:

El debate sobre la realidad molecular se resolvió de una vez por todas debido a la extraordinaria concordancia en los valores de N obtenidos por muchos métodos diferentes. Las cuestiones se resolvieron no mediante una determinación de N, sino mediante una determinación excesiva de N. A partir de temas tan diversos como la radiactividad, el movimiento browniano y el azul en el cielo, fue posible afirmar, en 1909, que una docena de formas independientes de medir N arrojaban resultados en notable concordancia entre sí.

En 1966, este tipo de evidencia circunstancial ya convenció a Richard Dalitz de que la materia estaba hecha de quarks, cuando dio su revisión invitada en la Conferencia Internacional anual de Física de Alta Energía en Berkeley, California. Esta evidencia incluyó la existencia de regularidades observadas experimentalmente en las propiedades de partículas creadas en aceleradores de alta energía, el hecho de que las colisiones entre diferentes tipos de partículas estaban simplemente relacionadas, el hecho de que las propiedades electromagnéticas de diferentes mesones y bariones estaban simplemente relacionadas, la relación experimental observada de los momentos magnéticos del neutrón y el protón, y el hecho de que la aniquilación de un protón y un antiprotón en reposo casi siempre producía tres mesones. De otro modo, no se explicaban y convergían en la misma conclusión: los mesones y bariones se construyeron a partir de los mismos bloques de construcción elementales. Esta convergencia independiente finalmente convenció a todos de que todas las muchas partículas descritas por el Camino Óctuple no eran los bloques de construcción básicos de la materia, como se había creído anteriormente, sino que estaban construidas de bloques de construcción aún más pequeños.

Muchos físicos de partículas no podían entender por qué los quarks no eran generalmente aceptados hasta bien entrada la década de 1970. Un problema era que los valores de las cargas eléctricas de los quarks eran más pequeños que la carga eléctrica del electrón. El quark u tiene una carga eléctrica positiva de dos tercios del valor de la carga del electrón, y los quarks d y s tienen cargas negativas de un tercio de la carga del electrón. Hasta ahora, todas las partículas conocidas tienen valores de carga eléctrica que son múltiplos integrales de la carga del electrón y su antipartícula el positrón. Nunca se han observado partículas cargadas fraccionalmente ni quarks aislados.

Sin embargo, desde 1966 se ha acumulado más y más evidencia circunstancial de la existencia de quarks como los bloques de construcción a partir de los cuales se construye toda la materia. Todas las partículas que están siendo descubiertas continuamente y que encajan en los multipletes definidos por el Modo Óctuple se comportan como si estuvieran construidas a partir de tres quarks o de un solo quark y una sola antipartícula del quark llamada antiquark.

La Búsqueda de Evidencia para Quarks individuales

Desde la primera propuesta de quarks en 1964, los experimentadores han buscado partículas con cargas eléctricas menores que la carga del electrón. Pero no se ha encontrado ninguno. Toda la evidencia abrumadora de la existencia de quarks provino de propiedades de los mesones y bariones que indicaban que fueron construidos a partir de quarks.

En los experimentos de la década de 1970, disparar electrones de alta energía a un objetivo de protones produjo evidencia de que los electrones estaban golpeando y siendo dispersados por quarks individuales. Una vez más, las pruebas seguían siendo circunstanciales. El propio quark nunca fue observado. Pero un electrón dispersado por un objeto en forma de punta con una carga eléctrica cambia su dirección de movimiento y cambia su energía de una manera bien definida y conocida. El estudio de los cambios de dirección y energía en los experimentos de dispersión de electrones indicó que los electrones se dispersaron de constituyentes puntuales en el protón con las cargas eléctricas fraccionadas predichas por el modelo de quarks.

Estos experimentos ayudaron a confirmar que los quarks peculiares realmente existían. Pero plantearon dos preguntas nuevas. Aunque los quarks fueron golpeados muy fuerte por el electrón, y absorbieron una energía y un momento muy altos, nunca fueron eliminados del protón. Nunca se observaron quarks libres aislados. Esto indicaba que los quarks estaban atados por fuerzas muy fuertes dentro del protón que los mantenían confinados. Pero los datos de dispersión de electrones indicaron que los objetos que dispersaban los electrones transferían energía e impulso como una partícula libre, sin evidencia de estar limitados por fuerzas fuertes. Estos dos rompecabezas se han aclarado en el nuevo Modelo Estándar y se les han dado los nombres de confinamiento y libertad asintótica.

Las fuerzas que unen a los quarks en mesones y bariones son tan fuertes a grandes distancias que separar un quark de sus vecinos cuesta una tremenda cantidad de energía. Cuando un quark en un protón es golpeado con una energía suficiente para crear nuevas partículas, se crea un nuevo par quark-antiquark. El antiquark creado se combina con el quark golpeado para crear un pion u otro mesón, y el quark creado regresa a los otros componentes del protón original. La energía producida al golpear un quark en un protón no expulsa al quark por sí solo del protón; el quark recoge un antiquark que ha sido creado por la gran transferencia de energía y luego se dispara como un mesón. Por lo tanto, los quarks aislados nunca se observan como productos de colisiones de alta energía; más bien, siempre encuentran socios creados en las colisiones y se combinan con ellos para formar mesones y bariones. Por lo tanto, siempre están confinados en mesones o bariones y nunca se observan como quarks libres aislados.

Experimentos más recientes con colisiones de alta energía muestran cómo un quark golpeado crea pares quark-anti quark que se recombinan de diferentes maneras para crear una cadena de mesones y bariones. El quark golpeado se combina con un antiquark creado para formar un mesón, dejando al compañero de quark del antiquark para buscar un nuevo antiquark creado, etc. Esto aparece en el detector del experimento como un «chorro» de partículas que salen del protón inicial al quark golpeado o principal.

Un análogo a este fenómeno de chorro de nuestra experiencia cotidiana es el rayo. Cuando la carga eléctrica en una nube se vuelve lo suficientemente grande, la fuerza fuerte en los átomos de aire se vuelve tan grande que se rompen en iones cargados positiva y negativamente. Si la nube está cargada negativamente, atrae los iones positivos, dejando que los iones negativos busquen nuevos socios y creen una cadena o «chorro» a través del aire que uno ve como un rayo.

El Modelo Estándar ahora explica cómo estas fuertes fuerzas no perturban los experimentos de dispersión de electrones que dan información sobre las cargas eléctricas de los quarks. La teoría de campos llamada cromodinámica cuántica (QCD) afirma que aunque las fuerzas entre quarks se vuelven muy fuertes a largas distancias, se vuelven tan débiles a distancias cortas que son completamente insignificantes en la dispersión de electrones de alta energía. Esta diferencia entre el comportamiento a corta y larga distancia se denomina libertad asintótica.

La Evidencia Circunstancial que apoya la Imagen del Quarks

Hay mucha evidencia circunstancial que apoya la existencia del quarks: el acuerdo con los valores experimentales de la carga eléctrica, el espín y los momentos magnéticos de las partículas con predicciones de modelos de quarks ha proporcionado pruebas sorprendentes.

Las cargas eléctricas de bariones hechas de tres quarks con valores de carga eléctrica +⅔ y – ⅓ solo pueden ser +2, +1, 0 y -1. Las cargas eléctricas de los mesones hechos de un quark y su antiquark conjugado de carga solo pueden ser 1, 0 y -1. Ahora se conocen muchos cientos de partículas, y hasta ahora todas tienen solo estos valores para la carga eléctrica.

El movimiento giratorio de las partículas y su comportamiento similar al de los pequeños imanes proporcionaron pistas importantes sobre su estructura. Una tapa giratoria cargada eléctricamente se comporta como un imán. La fuerza del pequeño imán del electrón, llamado su momento magnético, fue descrita con éxito por la famosa teoría y ecuación de Paul Dirac.

Los momentos magnéticos del protón y el neutrón dieron la primera indicación de que no eran elementales, sino que tenían una estructura más complicada. El neutrón no tiene carga eléctrica, pero se comporta como un imán hecho de carga negativa giratoria. Esto sugiere que el neutrón no es un objeto elemental sin carga eléctrica, sino que consiste en bloques de construcción más pequeños que tienen cargas positivas y negativas girando en direcciones opuestas. El momento magnético de protones es mucho más grande que el descrito por la teoría de Dirac.

Uno de los primeros éxitos del modelo de quarks fue mostrar cómo se obtuvieron los valores experimentales correctos de espines de partículas y momentos magnéticos sumando las contribuciones de los espines de quarks y momentos magnéticos en cada uno. Un barión hecho de tres quarks tendrá un giro tres veces el giro del electrón o protón si los giros son paralelos y tendrá un giro igual al giro del electrón si el giro de uno es opuesto al giro de los otros dos. Un mesón hecho de un quark y un antiquark tendrá un espín igual al doble del espín de electrones si los espines son paralelos y un espín cero si son opuestos y se cancelan. Los giros de todas las partículas medidas encajan en esta imagen.

Para obtener los valores de los momentos magnéticos en el protón y el neutrón, primero se debe tener en cuenta que el protón consta de dos quarks u con giros paralelos y un quark d con giro opuesto. Los quarks u y d tienen signos opuestos de carga eléctrica, sus imanes apuntan en la misma dirección cuando giran en direcciones opuestas. Cada momento magnético de quarks es proporcional a su carga eléctrica. Así, los dos quarks u en el protón con carga +each cada uno contribuye con unidades + Dir Dirac de momento magnético, mientras que el quark d con carga -⅓ está girando en la dirección opuesta y contribuye con la unidad-Dir Dirac. En una aproximación cruda se agregan estos para obtener el momento magnético de protones como unidades + 5/3 Dirac. El neutrón tiene dos quarks d con unidades de carga -⅓ y giros paralelos cada una de las unidades que contribuyen -⅓, y un quark u con unidades de carga -⅔ y giro opuesto que contribuyen – ⅔ para dar un momento magnético de neutrones de -4/3 unidades Dirac. Esto le da -5/4 para la relación de los protones y neutrones momentos magnéticos. Un cálculo más preciso usando la adición mecánica cuántica de giros da-3/2, lo que concuerda notablemente con el valor experimental de -1.46. La suma de los momentos de neutrones y protones es unit unidad Dirac. Una suposición razonable para el valor de la unidad de Dirac de quarks da un valor experimental de 0,33.

Esto es típico de la acumulación de evidencia circunstancial que apoya la creencia de que los quarks son los bloques de construcción correctos de la materia. Primero, las cargas eléctricas de los neutrones y protones y todas las demás partículas salen bien. En segundo lugar, se explican los giros y los valores correctos muy precisos para los momentos magnéticos del neutrón y el protón. Todo esto confirma la imagen de que las partículas se comportan «como si estuvieran hechas de quarks.»Su electricidad, magnetismo y giro serían muy difíciles de entender si no se construyeran a partir de estos bloques de construcción. No estaría claro, por ejemplo, por qué el neutrón, que no tiene carga eléctrica, tiene un momento magnético similar al protón, que tiene carga eléctrica, o por qué el neutrón también tiene el signo opuesto y la relación correcta con el momento de protón predicho por el modelo de quarks.

Este es solo un ejemplo de la evidencia circunstancial que apoya la conclusión de que los quarks son los bloques de construcción básicos de toda la materia. El Modelo Estándar que guía todas las investigaciones teóricas y experimentales en física de partículas comienza con este conocimiento, a pesar de que nunca se han observado quarks individuales aislados.

Véase también: Óctuple Way; Modelo Estándar; Principios de Simetría