XVI. EL ENCANTO DE LOS CUARKS
NO VENDR�A mal, en este punto de nuestra historia, recolectar lo que hemos descrito. Con ello nos daremos cuenta de las ideas b�sicas a que ha llegado la f�sica de las part�culas elementales y su manera de proceder.
Si descendemos hasta la escala de las part�culas elementales —10-14 cm o aun menos—, la materia se caracteriza s�lo por unas cuantas propiedades: tenemos la masa (o la energ�a, que es equivalente), el esp�n, la carga el�ctrica, la extra�eza y otras cuantas caracter�sticas. Tal vez puedan existir algunas otras propiedades, pero en cualquier caso no habr�an muchas m�s. Las part�culas conocidas se dividen en dos clases: leptones y hadrones. Sin contar las correspondientes antipart�culas, conocemos seis leptones, tres de ellos cargados negativamente y tres neutros. Los leptones cargados son id�nticos entre s�, a excepci�n de su masa: m es 200 veces m�s pesado que el electr�n, y el tau�n lo es a�n m�s. Hasta donde sabemos, los leptones son elementales. Por su parte, los hadrones son sistemas compuestos, que suponemos formados por cuarks. Estos �ltimos, a semejanza de los leptones, tambi�n ser�an elementales. Sin embargo, y a diferencia de estos leptones, los cuarks est�n dominados por la interacci�n fuerte.
La interacci�n fuerte distingue entre leptones y cuarks. Aqu�llos son casi insensibles a la interacci�n fuerte. Los cuarks act�an uno sobre el otro con las fuerzas electromagn�tica y fuerte, y con los leptones mediante interacciones electromagn�ticas y d�biles. De nuestra historia, conocemos ya nueve tipos de cuarks: los u, d, s, cada uno en tres colores. A veces se dice que los cuarks pueden venir en diferentes sabores (u, d o s) y en diferentes colores. Combinando estos cuarks de acuerdo a las reglas de la mec�nica cu�ntica vemos que podemos formar todos los hadrones —bariones y mesones—. Los bariones constan de combinaciones de tres cuarks y los mesones de un cuark y un anticuark; las part�culas observadas no tienen color. De un cuark aislado, ni su sombra.
Esta era la situaci�n a mediados de los setentas, cuando los f�sicos de varias partes del mundo echaron a andar nuevos y potentes aceleradores, que les permit�an analizar procesos de mayor energ�a. Con ellos pod�an medir el cociente R, ya mencionado, entre el n�mero de hadrones y el n�mero de muones que se producen en una reacci�n dada, a energ�as cada vez m�s altas. Ya dijimos que cuando la energ�a es del orden de 3 GeV, R es mayor que la predicha por el modelo original de cuarks. Su valor, cercano a 2, constituy� uno de los elementos que primeramente comprob� la teor�a del color. Ahora se podr�a medir R a energ�as mayores. En el acelerador de electrones de Cambridge, primero, y en el SPEAR de Stanford, despu�s, se obtuvieron valores de R superiores a 2: a energ�as de hasta 8 GeV el valor de este cociente es un poco mayor que 5. Si hemos de ser congruentes, y si adem�s tomamos a los leptones pesados en cuenta, ello implica que los cuarks deben tener m�s sabores.
El sentido est�tico de muchos f�sicos famosos —Sheldon Glashow, de Harvard, entre ellos—, que los empuja a buscar simetr�as y coincidencias, hab�a ya previsto tal aumento en el n�mero de cuarks. Cuando, en 1964, la familia de leptones constaba de tan s�lo cuatro miembros: e, ve, m, vm —o sea, antes del descubrimiento del tercer lept�n pesado t—, Glashow y Bjorken, f�sicos americanos, postularon un cuarto sabor para los cuarks. Encanto, le llamaron, contribuyendo as� a�n m�s a la graciosa nomenclatura de la f�sica de part�culas. El cuark encantado, que se denotar�a por c (de charm, encanto en ingl�s), ser�a m�s pesado que los otros tres. Dar�a origen a todo un nuevo conjunto de hadrones, los encantados, cuya masa ser�a mayor a la de aquellos ya conocidos. La propiedad del encanto, como veinte a�os antes la de extra�eza, se agregar�a a las escasas propiedades de las part�culas submicrosc�picas. Y, al igual que la extra�eza, inhibir�a la desintegraci�n de part�culas que contuvieran cuarks encantados, haciendo que duraran mucho m�s.
En noviembre de 1974, en dos laboratorios norteamericanos, uno en la costa
este y otro en la oeste, se encontr� una nueva part�cula. El grupo de Stanford
era capitaneado por Burton Richter y el de Brookhaven por Samuel Ting, profesor
del MIT. Ting y sus colaboradores bombardeaban un blanco de berilio con protones
cuando observaron que la producci�n de pares electr�n-positr�n aumentaba much�simo
a una energ�a cercana a los 3 GeV. Por su parte, Richter y su grupo usaban un
anillo de almacenamiento para medir el cociente R y encontraron grandes
anomal�as en su valor para esas mismas energ�as. Ambos grupos, casi simult�neamente,
hab�an descubierto una nueva part�cula, —J la llamaron en la costa
este y y en la oeste— que parec�a avenirse a
un mes�n formado por el cuark c unido al anticuark 
,
previsto diez a�os antes por Glashow y Bjorken. Pronto (un par de semanas despu�s,
y no s�lo en Estados Unidos sino tambi�n en la m�quina italiana Adone),
se hallaron otras resonancias y', y'',...,
que ser�an estados excitados de y, con lo que el
descubrimiento de la nueva propiedad, el encanto, comenzaba a reforzarse. Una
vez m�s los alemanes llegaron tarde, y con su DORIS ratificaron el descubrimiento.
Ya que encontrar una nueva propiedad de la materia no es cosa de todos los d�as,
Burton y Ting compartieron el premio Nobel en 1975, solamente un a�o despu�s
de su brillante descubrimiento, que lleg� a ser conocido como "la revoluci�n
de noviembre".
Pero a�n hay m�s. El primero de mayo de 1977, un numeroso equipo de investigadores,
cuyo l�der era Le�n Lederman, hoy director del Fermilab, descubr�a en este laboratorio
una nueva part�cula, conocida como �psilon, y cuya masa era enorme: 10 veces
la masa del prot�n. Por ello, pod�a sospecharse que su decaimiento fuera rapid�simo,
pues tendr�a una enorme variedad de estados, de todo color y sabor, en donde
decaer. El experimento mostr� lo contrario: la vida media de �psilon result�
anormalmente grande. Esto significa que �psilon no se desintegra en los hadrones
de masa menor, todos ellos formados por cuarks u, d, s y c La
conclusi�n fue inevitable, y se decret� la existencia de un nuevo cuark, m�s
pesado; este nuevo cuark b, ligado a su anticuark 
,
ser�a el constituyente de �psilon y el quinto miembro de la familia de los cuarks.1
Si la simetr�a entre esta familia y la de los leptones vuelve a operar, deber�a
haber un sexto cuark. Muchos f�sicos creen en su existencia y le han dado un
nombre, el cuark t, pareja del cuark b, aunque todav�a hoy, a
mediados de 1986, no han sido vistas part�culas que pudieran tenerlo entre sus
constituyentes.
Despu�s de todos estos descubrimientos, las familias lept�nicas y de cuarks
tienen numerosos miembros. Aparte de las antipart�culas, conocemos seis leptones
y, sin contar el color, cinco (o, tal vez tambi�n seis) cuarks. En contraste
con los leptones, los cuarks libres nunca han sido vistos pero, aparentemente,
los f�sicos de part�culas creen en su existencia. Aparte de los ya indicados,
el �xito del modelo de cuarks radica en poder predecir el resultado de la colisi�n
entre un electr�n y un positr�n, ambos de muy alta energ�a. Como aqu� chocan
materia y antimateria, estas dos part�culas se aniquilan para formar un fot�n
virtual, que es energ�a pura. Esta energ�a puede materializarse en un par cuark-anticuark,
los cuales divergen en direcciones opuestas, pues su momento lineal debe ser
nulo, como lo era el del par e- - e+. Aunque no
observamos estos cuarks, su energ�a se invierte en crear nuevos pares q -
que se combinan con el par original. Todo ello da origen a dos chorros de
hadrones, que recuerdan la trayectoria del par q -
original. Estos chorros, en efecto, existen experimentalmente y su presencia
da todav�a mayor credibilidad al modelo de cuarks. Si todo apunta a que los
cuarks existan �por qu� no los hemos podido ver?
NOTAS
1 Hoy tenemos evidencia tambi�n de otros mesones en donde el cuark b est� ligado a un anticuark de diferente sabor: por decirlo as�, se han encontrado part�culas con belleza desnuda.
