XVI. EL ENCANTO DE LOS CUARKS
NO VENDRÍA mal, en este punto de nuestra historia, recolectar lo que hemos descrito. Con ello nos daremos cuenta de las ideas básicas a que ha llegado la física de las partículas elementales y su manera de proceder.
Si descendemos hasta la escala de las partículas elementales —10-14 cm o aun menos—, la materia se caracteriza sólo por unas cuantas propiedades: tenemos la masa (o la energía, que es equivalente), el espín, la carga eléctrica, la extrañeza y otras cuantas características. Tal vez puedan existir algunas otras propiedades, pero en cualquier caso no habrían muchas más. Las partículas conocidas se dividen en dos clases: leptones y hadrones. Sin contar las correspondientes antipartículas, conocemos seis leptones, tres de ellos cargados negativamente y tres neutros. Los leptones cargados son idénticos entre sí, a excepción de su masa: m es 200 veces más pesado que el electrón, y el tauón lo es aún más. Hasta donde sabemos, los leptones son elementales. Por su parte, los hadrones son sistemas compuestos, que suponemos formados por cuarks. Estos últimos, a semejanza de los leptones, también serían elementales. Sin embargo, y a diferencia de estos leptones, los cuarks están dominados por la interacción fuerte.
La interacción fuerte distingue entre leptones y cuarks. Aquéllos son casi insensibles a la interacción fuerte. Los cuarks actúan uno sobre el otro con las fuerzas electromagnética y fuerte, y con los leptones mediante interacciones electromagnéticas y débiles. 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 mecánica cuántica 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 partículas observadas no tienen color. De un cuark aislado, ni su sombra.
Esta era la situación a mediados de los setentas, cuando los físicos de varias partes del mundo echaron a andar nuevos y potentes aceleradores, que les permitían analizar procesos de mayor energía. Con ellos podían medir el cociente R, ya mencionado, entre el número de hadrones y el número de muones que se producen en una reacción dada, a energías cada vez más altas. Ya dijimos que cuando la energía es del orden de 3 GeV, R es mayor que la predicha por el modelo original de cuarks. Su valor, cercano a 2, constituyó uno de los elementos que primeramente comprobó la teoría del color. Ahora se podría medir R a energías mayores. En el acelerador de electrones de Cambridge, primero, y en el SPEAR de Stanford, después, se obtuvieron valores de R superiores a 2: a energías de hasta 8 GeV el valor de este cociente es un poco mayor que 5. Si hemos de ser congruentes, y si además tomamos a los leptones pesados en cuenta, ello implica que los cuarks deben tener más sabores.
El sentido estético de muchos físicos famosos —Sheldon Glashow, de Harvard, entre ellos—, que los empuja a buscar simetrías y coincidencias, había ya previsto tal aumento en el número de cuarks. Cuando, en 1964, la familia de leptones constaba de tan sólo cuatro miembros: e, ve, m, vm —o sea, antes del descubrimiento del tercer leptón pesado t—, Glashow y Bjorken, físicos americanos, postularon un cuarto sabor para los cuarks. Encanto, le llamaron, contribuyendo así aún más a la graciosa nomenclatura de la física de partículas. El cuark encantado, que se denotaría por c (de charm, encanto en inglés), sería más pesado que los otros tres. Daría origen a todo un nuevo conjunto de hadrones, los encantados, cuya masa sería mayor a la de aquellos ya conocidos. La propiedad del encanto, como veinte años antes la de extrañeza, se agregaría a las escasas propiedades de las partículas submicroscópicas. Y, al igual que la extrañeza, inhibiría la desintegración de partículas que contuvieran cuarks encantados, haciendo que duraran mucho más.
En noviembre de 1974, en dos laboratorios norteamericanos, uno en la costa
este y otro en la oeste, se encontró una nueva partícula. 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 producción de pares electrón-positrón aumentaba muchísimo
a una energía 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
anomalías en su valor para esas mismas energías. Ambos grupos, casi simultáneamente,
habían descubierto una nueva partícula, —J la llamaron en la costa
este y y en la oeste— que parecía avenirse a
un mesón formado por el cuark c unido al anticuark 
,
previsto diez años antes por Glashow y Bjorken. Pronto (un par de semanas después,
y no sólo en Estados Unidos sino también en la máquina italiana Adone),
se hallaron otras resonancias y', y'',...,
que serían estados excitados de y, con lo que el
descubrimiento de la nueva propiedad, el encanto, comenzaba a reforzarse. Una
vez más 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 días,
Burton y Ting compartieron el premio Nobel en 1975, solamente un año después
de su brillante descubrimiento, que llegó a ser conocido como "la revolución
de noviembre".
Pero aún hay más. El primero de mayo de 1977, un numeroso equipo de investigadores,
cuyo líder era León Lederman, hoy director del Fermilab, descubría en este laboratorio
una nueva partícula, conocida como ípsilon, y cuya masa era enorme: 10 veces
la masa del protón. Por ello, podía sospecharse que su decaimiento fuera rapidísimo,
pues tendría una enorme variedad de estados, de todo color y sabor, en donde
decaer. El experimento mostró lo contrario: la vida media de ípsilon resultó
anormalmente grande. Esto significa que ípsilon no se desintegra en los hadrones
de masa menor, todos ellos formados por cuarks u, d, s y c La
conclusión fue inevitable, y se decretó la existencia de un nuevo cuark, más
pesado; este nuevo cuark b, ligado a su anticuark 
,
sería el constituyente de ípsilon y el quinto miembro de la familia de los cuarks.1
Si la simetría entre esta familia y la de los leptones vuelve a operar, debería
haber un sexto cuark. Muchos físicos creen en su existencia y le han dado un
nombre, el cuark t, pareja del cuark b, aunque todavía hoy, a
mediados de 1986, no han sido vistas partículas que pudieran tenerlo entre sus
constituyentes.
Después de todos estos descubrimientos, las familias leptónicas y de cuarks
tienen numerosos miembros. Aparte de las antipartículas, conocemos seis leptones
y, sin contar el color, cinco (o, tal vez también seis) cuarks. En contraste
con los leptones, los cuarks libres nunca han sido vistos pero, aparentemente,
los físicos de partículas creen en su existencia. Aparte de los ya indicados,
el éxito del modelo de cuarks radica en poder predecir el resultado de la colisión
entre un electrón y un positrón, ambos de muy alta energía. Como aquí chocan
materia y antimateria, estas dos partículas se aniquilan para formar un fotón
virtual, que es energía pura. Esta energía 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 energía 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 todavía mayor credibilidad al modelo de cuarks. Si todo apunta a que los
cuarks existan ¿por qué no los hemos podido ver?
NOTAS
1 Hoy tenemos evidencia también de otros mesones en donde el cuark b está ligado a un anticuark de diferente sabor: por decirlo así, se han encontrado partículas con belleza desnuda.
