Las piezas lego de la naturaleza. La historia más extraña jamás contada. Parte 6.

Las partículas elementales

Las partículas subatómicas nos guardan más extrañezas como las de la doble rendija. Antes de seguir con ellas, convendría saber cuáles son las piezas lego del Universo. Teníamos a los átomos que resultaron estar compuestos de núcleo y electrones. Además de esto teníamos por ahí danzando a los fotones. ¿Algo más? Pues… mucho más. Pero me centraré sólo en unas pocas de la partículas elementales.

Resulta que el núcleo de los átomos está formado por protones y neutrones. Ambos de igual masa, pero los protones tienen carga eléctrica positiva y los neutrones carga neutra. Sucede que cada elemento está caracterizado por el número de protones de su núcleo; así, el Hidrógeno tiene un protón, el Helio dos, el Carbono seis, el Cloro 17 y el Oro 79. También sucede que la carga eléctrica de un protón es exactamente la misma (pero de signo contrario) que la del electrón y que parece haber tantos electrones como protones en el universo. Un átomo al que le falte un electrón estará cargado positivamente y tenderá a atraer un electrón, así que casi siempre los átomos tienen el mismo número de electrones que de protones. Además, casi siempre habrá también el mismo número de neutrones, aunque esto puede variar, dando lugar a isótopos del mismo elemento. Así, el número de protones marca el elemento, el número de electrones su comportamiento eléctrico y el número de neutrones su comportamiento radiactivo. Los electrones tienen una masa mucho más pequeña que los protones o neutrones, así que estos constituyen casi toda la masa conocida del Universo.

Estamos lejos de terminar. Resulta que los protones y neutrones no son piezas simples, sino que están compuestas de otras piezas, llamadas “quarks”, de los que cada uno, protón y neutrón, tiene tres. Los quarks, de momento, parecen ser piezas simples, como el electrón y el fotón, pero nunca se sabe…

Hay seis tipos de quarks, que van por parejas. Los que componen el protón y el neutrón son quarks “arriba” y quarks “abajo”. El quark arriba tiene carga positiva de 2/3 y el quark debajo negativa de 1/3. El protón se compone de dos “arriba” y un “abajo” y el neutrón de dos “abajo” y un “arriba”. Los demás quark tienen más masa, pero no se encuentran sino en estados de mucha energía, como en el interior de los aceleradores de partículas. Los dos siguientes son el quark “encantado” y el quark “extraño”, con carga eléctrica 2/3 y -1/3, respectivamente y, finalmente, el “fondo” y el “cima”, también con cargas 2/3 y -1/3 y todavía más masivos.

El electrón tiene también a sus primos, el muón y el tau, ambos con carga negativa y cada uno con más masa que el anterior.

Además de todo esto, cada una de las partículas anteriores tiene su correspondiente antipartícula, con las mismas características, pero con la carga eléctrica opuesta. Las partículas forman la antimateria, de la que únicamente conocemos la poca que se ha generado en los aceleradores de partículas. Es bueno que no haya antimateria por los alrededores. Si se junta la materia y la antimateria, se transforman en energía. Unos pocos gramos bastarían para generar una explosión como la de una bomba nuclear. Electrones y quarks son partículas con masa y carga eléctrica. La fuerza eléctrica es mucho (muchísimo) más grande que la gravitatoria, así que la primera es la que manda y lo que dice es que los protones no pueden estar juntos en el núcleo del átomo porque se repelen al tener todos carga positiva. Pero como están juntos en el núcleo, debe haber otra fuerza todavía mayor que los mantenga unidos, esta es la fuerza nuclear fuerte o interacción fuerte.

Así como el fotón es la partícula (sin masa ni carga eléctrica) que transmite la fuerza electromagnética, el gluón es la que transmite la nuclear. El fotón viaja, por ejemplo, entre un protón y un electrón o entre dos protones a la velocidad de la luz, transmitiendo una fuerza de atracción en el primer caso y una de repulsión en el segundo, pero el fotón en sí no tiene carga eléctrica.

Con los quarks las cosas son mucho más extrañas. Para empezar los quarks vienen en tres colores: azul, verde y rojo. En realidad esto no tiene nada que ver con los colores de verdad, solo es una metáfora para indicar que la unión (atracción) entre quarks se produce cuando los colores suman “blanco”, es decir, cuando hay uno de cada. Esta es la interacción nuclear fuerte.

Recordemos que había también antiquarks. Pues bien, estos tienen también “anticolor”. Los tres anticolores juntos también dan blanco y unen a sus portadores.

El color es una especie de rotación matemática del quark, así que cada quark puede tener un color u otro dependiendo de cómo rote, y el encargado de hacer rotar a los quarks es el gluón. El gluón es una partícula sin masa ni carga eléctrica, pero que sí tiene color. De hecho tiene un color y un anticolor. Así que, además de transmitir la fuerza nuclear fuerte, también la sufre. La manera en la que sucede es que los quarks intercambian gluones y se tiñen (cambian de color) al hacerlo. Con la interacción adecuada, al final tres quarks suman blanco y se quedan juntos. Pero el gluón o gluones tienen que quedarse ahí para mantenerlos juntos.  Funcionan como un muelle, cuanto más quieras separar los quarks, más fuerza hace falta. Hasta que se suelta el muelle. Por eso la fuerza nuclear fuerte actúa solo a escalas pequeñas.

Pero esto es solo parte de la historia, la que explica cómo se pegan los quarks entre sí para formar un hadrón (un protón o un neutrón). La manera en la que se atraen entre sí los protones y los neutrones es mediante lo que se llama la fuerza nuclear residual. Las cargas eléctricas opuestas se cancelan. Si un sistema tiene 5 negativas y 4 positivas, la fuerza residual es la proporcionada por la carga negativa no cancelada. Igual ocurre con la interacción nuclear fuerte, y esta fuerza residual sí disminuye con la distancia, pero no con el cuadrado, sino que lo hace exponencialmente.