Los quarks y la última partícula

La percepción actual de la física subatómica es que todo el Universo está formado, básicamente, por dos tipos de partículas: leptones y quarks. Cada una está constituida por tres parejas, y a cada pareja se la denomina como un «sabor».

Los tres sabores de los leptones son 1) el electrón y su neutrino; 2) el muón y su neutrino y 3) el tauón y su neutrino. Esto significa seis leptones. Cada partícula refleja su imagen en el espejo o antipartícula, así que en total se cuentan doce leptones. Todas ellas se han detectado efectivamente, y, recientemente, los físicos han llegado a la conclusión, mediante un razonamiento complicado, de que los tres sabores de leptones existen. ¡Los tenemos a todos! (De entre los leptones, el electrón y su neutrino son los verdaderamente importantes en el transcurso cotidiano, pero los físicos los consideran a todos partes indispensables del Universo).

Para los físicos la simetría es fundamental, así que creen que la naturaleza de los leptones se debería reflejar en otros tipos de partículas, los quarks. Por tanto, debería haber tres sabores de quarks: 1) el up-quark (arriba) y el down-quark (abajo), 2) el strange-quark (extraño) y el charmed-quark (encantado), y 3) el top-quark (encima) y el bottom-quark (fondo). Cada uno se corresponde con su antipartícula imagen en el espejo, así que en total se cuentan doce quarks.

Los quarks nunca se han detectado como partículas aisladas y probablemente nunca lo serán. Se mantienen enlazadas en grupos de dos y tres y no se pueden separar.

No obstante, cuando se unen forman otras partículas más complejas (se conocen más de cien), y a partir de estas partículas mayores se pueden averiguar las propiedades de los quarks integrantes.

El primer sabor, el up-quark y el down-quark, es el verdaderamente importante para el transcurso temporal, ya que son los componentes de los protones y neutrones que se encuentran en los núcleos atómicos. Pero insistimos, los físicos aprecian todos los sabores.

A partir de las partículas que contienen quarks se puede deducir la masa (o peso, por decirlo así) de cada quark individual y, en general, los quarks tienen más masa que los leptones. Esto es importante, porque la masa es una forma de energía, y cuanto más masa tiene una partícula más energía se necesita para que sea artificialmente compuesta, en el proceso de desintegración del átomo y más difícil es de detectar.

La masa del up-quark, que es la menor, es unas cinco veces la del electrón, y la del down-quark, unas siete veces mayor. Son valores muy pequeños. Los quarks up y down se conocen desde que Murray Gell-Mann descubrió por primera vez la existencia de los quarks en 1963, por lo que recibió el premio Nobel.

En el caso del segundo sabor, el strange-quark tiene una masa unas 150 veces la del electrón, lo que tampoco está mal, y su existencia se conoce desde 1963. La masa del charmed-quark, sin embargo, es unas 1500 veces la del electrón y cualquier partícula que lo contenga debe tener todavía más masa, así que es muy difícil de formar. No se descubrieron partículas que contuvieran charmed-quarks hasta 1974. Burto Ritcher y Samuel Ting, que realizaron la hazaña, recibieron el premio Nobel por ella.

En el caso del tercer sabor, el bottom-quark tiene una masa de unas 5000 veces la del electrón y se descubrió en 1978. En el caso del top-quark, entre todos los leptones y quarks, se trata de la partícula más ínfima, la única no detectada. Los físicos están convencidos de que existe, pero les gustaría descubrir o crear una partícula que lo contuviera efectivamente.

El problema es que se sospecha que la masa del top-quark es por lo menos 45 000 veces la del electrón y esta cantidad de masa requiere la cantidad máxima de energía que pueda producir el artificio desintegrador de átomos más potente.

Se puede conseguir. Hay determinadas partículas, llamadas partículas W, que en realidad no son verdaderos constituyentes de la materia pero sí necesarias para que otras partículas interaccionen de determinada forma. Estas partículas W tienen aproximadamente la misma masa que el top-quark y fueron detectadas por Cario Rubbia, que recibió el premio Nobel por ello.

Fermilab de Illinois y también el desintegrador de partículas CERN de Ginebra, Suiza, buscaban las partículas W, y CERN ganó la carrera definitivamente. En la actualidad, Fermilab está tratando de descomponer partículas a niveles de energía superiores a los utilizados con anterioridad y los físicos esperan encontrar entre los restos partículas que contengan top-quarks.

Si no las pueden detectar, los físicos empezarán a dudar de toda la estructura que tanto trabajo les ha costado construir.

Pero ¿es realmente el más ínfimo el top-quark? En realidad, hay muchas probabilidades de que no. Asociadas a las partículas W que acabo de mencionar, existen otras «partículas Higgs» de las que se conoce muy poco. Hasta ahora no se han detectado. Y, por supuesto, es probable la existencia de otras partículas sobre las que los físicos, de momento, sólo pueden especular.