La fuerza nuclear fuerte es, como habrás adivinado, una fuerza muy fuerte. Es tan poderosa que es capaz de unir algunas de las partículas más pequeñas del universo durante períodos muy largos, posiblemente para siempre. Las partículas unidas por la fuerza fuerte forman los bloques de construcción de nuestro mundo cotidiano: protones y neutrones. Pero si abriéramos un protón o un neutrón, no encontraríamos una bonita y sencilla disposición de partículas subatómicas. En su lugar, verías las repugnantes entrañas de, quizás, una de las fuerzas más complejas del universo.
Los protones y los neutrones no son las únicas cosas que la fuerza fuerte es capaz de hacer, pero no entendemos realmente las otras disposiciones más complejas y exóticas. Es más, incluso nuestras observaciones y experimentos son en sí mismos muy incompletos. Sin embargo, los físicos trabajan duro para tratar de entender esta fuerza fundamental de la naturaleza.
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Fuerza fuerte y compleja
Para describir la fuerza fuerte, lo mejor es contrastarla con su prima mucho más famosa, la fuerza electromagnética. Con la fuerza electromagnética las cosas son sencillas, fáciles y directas; tanto es así que los científicos de la década de 1900 fueron capaces de entenderla en su mayor parte. Con la fuerza electromagnética, cualquier partícula puede unirse a la fiesta siempre que tenga una propiedad llamada carga eléctrica. Si tiene esta carga, entonces puede sentir y responder a la fuerza electromagnética. Y todo tipo de partículas de todas las rayas y sabores llevan una carga eléctrica, como tu variedad de jardín de electrones.
Otra partícula, la partícula de luz (también conocida como el fotón), hace el trabajo de transmitir la fuerza electromagnética de una partícula cargada a otra. El fotón no tiene carga eléctrica propia y no tiene masa. Viaja a la velocidad de la luz, yendo y viniendo por el universo, haciendo que se produzca el electromagnetismo.
Carga eléctrica. Un único portador de la fuerza electromagnética. Simple, sencillo.
En cambio, hay seis partículas que están sujetas a la fuerza nuclear fuerte. Como grupo, se conocen como los quarks y tienen nombres suficientemente estrafalarios como up, down, top, bottom, strange y charm. Para sentir y responder a la fuerza nuclear fuerte, estos quarks tienen una carga propia. No es una carga eléctrica (aunque también tienen una carga eléctrica y también sienten la fuerza electromagnética), pero por varias razones que hacen las cosas realmente confusas, los físicos llaman a esta carga especial asociada a la fuerza nuclear fuerte la carga de color.
Los quarks pueden tener uno de los tres colores, llamados rojo, verde y azul. Sólo para aclarar, no son colores reales, sino sólo etiquetas que le damos a esta extraña propiedad parecida a la carga.
Así, los quarks sienten la fuerza fuerte, pero es llevada por toda una serie de otras partículas – ocho, para ser precisos. Se llaman gluones, y hacen un gran trabajo de… espera… pegar los quarks. Los gluones también tienen la capacidad y el deseo de llevar su propia carga de color. Y tienen masa.
Seis quarks, ocho gluones. Los quarks pueden cambiar su carga de color, y los gluones también, porque por qué no.
Todo esto significa que la fuerza nuclear fuerte es mucho más compleja e intrincada que su prima electromagnética.
Extrañamente fuerte
Bien, mentí. Los físicos no llamaron a esta propiedad de los quarks y gluones «la carga de color» sólo porque les apetecía, sino porque sirve como analogía útil. Los gluones y los quarks pueden unirse para formar partículas más grandes siempre que todos los colores sumen el blanco, igual que la luz roja, azul y verde suman la luz blanca… La combinación más común es la de tres quarks, uno de rojo, otro de verde y otro de azul. Pero la analogía se complica un poco aquí, porque cada quark individual puede tener asignado cualquiera de los colores en cualquier momento; lo que importa es el número de quarks para obtener las combinaciones correctas. Así, se pueden tener grupos de tres quarks para formar los conocidos protones y neutrones. También se puede hacer que un quark se una con su antiquark, donde el color se anula consigo mismo (por ejemplo, el verde se empareja con el antiverde, y no, no me lo estoy inventando sobre la marcha), para hacer un tipo de partícula conocida como mesón.
Pero la cosa no acaba ahí.
Teóricamente, cualquier combinación de quarks y gluones que sumen blanco es técnicamente permisible en la naturaleza.
Por ejemplo, dos mesones -cada uno con dos quarks dentro de ellos- pueden potencialmente unirse en algo llamado tetraquark. Y en algunos casos, se puede añadir un quinto quark a la mezcla, todavía equilibrando todos los colores, llamado (lo has adivinado) un pentaquark.
El tetraquark ni siquiera tiene que estar técnicamente unido en una sola partícula. Simplemente pueden existir cerca unos de otros, formando lo que se llama una molécula hidrónica.
Y qué locura: Los gluones en sí mismos pueden ni siquiera necesitar un quark para hacer una partícula. Simplemente puede haber una bola de gluones colgando, relativamente estable en el universo. Se llaman glueballs. La gama de todos los estados posibles permitidos por la fuerza nuclear fuerte se denomina espectro del quarkonio, y no es un nombre inventado por un guionista de un programa de televisión de ciencia ficción. Hay todo tipo de combinaciones potenciales locas de quarks y gluones que podrían existir.
¿Así que existen?
Arco iris de quarks
Tal vez.
Los físicos han estado realizando experimentos de fuerza nuclear fuerte durante bastantes décadas, como el Experimento Baber y unos cuantos en el Gran Colisionador de Hadrones, aumentando lentamente a lo largo de los años a niveles de energía más altos para indagar más y más en el espectro del quarkonio (y sí, tienes mi permiso para usar esa frase en cualquier frase o conversación casual que quieras, es así de impresionante). En estos experimentos, los físicos han encontrado muchas colecciones exóticas de quarks y gluones. Los experimentadores les dan nombres curiosos, como χc2(3930).
Estas partículas exóticas potenciales sólo existen fugazmente, pero en muchos casos existen de forma concluyente. Pero a los físicos les cuesta conectar estas partículas producidas brevemente con las teóricas que sospechamos que deberían existir, como los tetraquarks y las glueballs.
El problema para hacer la conexión es que las matemáticas son realmente difíciles. A diferencia de la fuerza electromagnética, es muy difícil hacer predicciones sólidas sobre la fuerza nuclear fuerte. No es sólo por las complicadas interacciones entre los quarks y los gluones. A energías muy altas, la fuerza nuclear fuerte empieza a debilitarse, lo que permite simplificar las matemáticas. Pero a energías más bajas, como la energía necesaria para unir quarks y gluones para formar partículas estables, la fuerza nuclear fuerte es realmente, bueno, muy fuerte. Esta mayor fuerza hace que las matemáticas sean más difíciles de entender.
Los físicos teóricos han ideado un montón de técnicas para abordar este problema, pero las propias técnicas son incompletas o ineficaces. Aunque sabemos que algunos de estos estados exóticos en el espectro del quarkonio existen, es muy difícil predecir sus propiedades y firmas experimentales.
Aún así, los físicos están trabajando duro, como siempre. Poco a poco, con el paso del tiempo, estamos aumentando nuestra colección de partículas exóticas producidas en los colisionadores, y haciendo predicciones cada vez mejores sobre cómo deberían ser los estados teóricos del quarkonio. Las coincidencias se van uniendo poco a poco, dándonos una imagen más completa de esta extraña pero fundamental fuerza de nuestro universo.
Paul M. Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio, presentador de Ask a Spaceman y Space Radio, y autor de Your Place in the Universe.
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Publicado originalmente en Live Science.
