Quarks y antiquarks

Como vimos en el post anterior, los hadrones están compuestos por otras partículas más pequeñas llamadas quarks, las cuales se consideran (hasta el momento) auténticamente elementales. Los quarks no se encuentran aislados en el Universo, sino que siempre están confinados dentro de los hadrones, unidos mediante el intercambio de unos bosones llamados "gluones" (ver Las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales). Actualmente se conocen seis tipos de quarks: Up (arriba), Down (abajo), Strange (extraño), Charm (encanto), Bottom (fondo) y Top (cima), y sus correspondientes antiquarks. Los quarks se representan con la inicial de sus nombres, y los antiquarks con la misma letra con una raya encima.

Representación de los seis tipos de quarks, sus antipartículas y sus cargas de color.

Los mesones son partículas formadas por una pareja quark-antiquark, mientras que los bariones (como el protón y el neutrón) se componen de 3 quarks cada uno (ver el post anterior). En la materia ordinaria sólo participan los quarks Up y Down, el resto de variedades se observan en la radiación cósmica que alcanza la Tierra y en los aceleradores de partículas.

Quarks que participan en algunas de las partículas conocidas

Las principales propiedades que presentan los quarks son:

• Masa: está en el rango que va desde los 1,5 del quark Up hasta los más de 170.000 del quark Top (unidades medidas en MeV/c²)*.
• Carga: sólo existen dos valores de carga posible: +2/3 (u, c, t) y -1/3 (d, s, b).
• Isospín Débil: toma el valor de +1/2 (u, c, t) o -1/2 (d, s, b). El isospín débil indica que si se desintegra un quark de tipo u (u, c, t), siempre producirá uno del tipo d (d, s, b), y viceversa.
• Sabor: indica a qué otro tipo puede cambiar un quark determinado.
• Carga de Color: es una propiedad que determina cómo interaccionan los quarks entre sí, es decir, si se atraen o repelen, con qué fuerza lo hacen y cómo se comporta esa interacción con la distancia o las características del entorno. Como esta propiedad puede tomar tres valores distintos, los científicos decidieron asignarles los nombres de los tres colores básicos: rojo, verde y azul, y sus complementarios a los antiquarks.

Recientes extensiones del Modelo Estándar de la Física de Partículas apuntan a que los quarks podrían estar compuestos de subestructuras. Hasta el momento no existen evidencias empíricas de esta afirmación.

* mega electrón-voltios partido por el cuadrado de la velocidad de la luz

Clasificación de las Partículas Subatómicas

Recordemos que las partículas subatómicas son aquellas cuyo tamaño es inferior al del núcleo atómico (ver el post Acercándonos a lo muy pequeño). Estas partículas se han ido descubriendo poco a poco, a medida que avanzaba la tecnología de los experimentos y detectores en Física de Altas Energías. Actualmente, conocemos la existencia de cientos de estas partículas, por lo que se hace necesario un sistema de clasificación que aporte orden y claridad a este maremágnum aparentemente caótico.

Las partículas subatómicas se clasifican actualmente atendiendo a dos criterios básicos: sus valores de espín y su estructura.

Según su espín, tenemos dos tipos de partículas:

A.- BOSONES: aquellas cuyo espín es de valor entero (1, 2, ...) y no "respetan" el Principio de Exclusión de Pauli, es decir, que podemos encontrar dos de ellas en el mismo estado cuántico. Son bosones el fotón, el gluón y las partículas W⁺, W^- y Z⁰.
B.- FERMIONES: aquellas cuyo espín es de valor semientero (1/2, 3/2, ...) y sí cumplen el Principio de Exclusión de Pauli. Ejemplos de fermiones son el electrón, el protón y el neutrón.

Representación del P. E. Pauli para bosones y fermiones

Según su estructura interna, se dividen en:

A.- LEPTONES: partículas sin estructura interna, es decir, auténticamente elementales. Todas tienen espín semientero (son fermiones). Son leptones el electrón, el muón, el tauón y sus correspondientes neutrinos.
B.- HADRONES: son partículas compuestas por otras elementales. Según su espín, se subdividen en:

1. Mesones: son bosones (espín entero) formados por un quark y un antiquark. Existen unas 140 variedades, entre las que se incluyen el pión, el kaón, etc.
2. Bariones: son fermiones (espín semientero) formados por tres quarks. Dentro de este subgrupo encontramos, entre otros, a protones y neutrones.

Como hemos visto, los hadrones están compuestos por quarks, de los que existen seis variedades: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima.

Como veremos más adelante, todas las partículas conocidas tienen sus correspondientes antipartículas, idénticas a ellas en cuanto a masa y espín, pero con carga eléctrica de signo contrario. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan, liberando energía y otras partículas.

El electrón, el protón y sus antipartículas

La extraña naturaleza de la Naturaleza (y IV)

Quizás uno de los aspectos más "asombrosos" del apasionante mundo de las partículas elementales (y, por tanto, de la esencia de nuestro Universo) sea el fenómeno conocido como "entrelazamiento cuántico".

En determinadas ocasiones ocurre que, bien de forma natural o artificial, dos partículas elementales (electrones, fotones...) son producidas de forma "entrelazada". Esto quiere decir que, por mucho que se alejen (en el espacio o en el tiempo), cualquier modificación que efectuemos sobre una de ellas, ocurrirá instantáneamente sobre la otra. Nótese que decimos "instantáneamente", es decir, sin que transcurra ningún intervalo temporal apreciable, violando aparentemente la Relatividad Especial al superarse la velocidad de la luz (véase El extraño comportamiento de la luz). Cuando dos partículas se entrelazan, podemos saber el estado de ambas midiendo sólo el de una de ellas. Por ejemplo, si tenemos dos electrones entrelazados, A y B, alejados todo lo que se quiera, y medimos el espín de A, automáticamente sabremos que B tendrá el contrario.

Dos fotones entrelazados (© Anton Zeilinger)

¿Cómo pueden entrelazarse cuánticamente dos partículas? Tal como apuntamos antes, puede ocurrir de forma natural (por ejemplo, cuando un electrón desciende de una vez dos orbitales seguidos, produciendo una pareja de fotones entrelazados), o artificial, como cuando se hace pasar un fotón UV a través de un cristal de beta-borato de Bario, convirtiéndose en dos fotones de mayor longitud de onda que el original y entrelazados.

© European Space Agency

La aparente "violación" de la Relatividad Especial la subsanan los físicos argumentando que lo que se mueve más rápido que la luz no es ninguna clase de materia o energía, sino, simplemente, información. Pero, ¿cómo "sabe" el fotón B, alejado, por ejemplo, 500.000 kilómetros de su compañero, que alguien o algo está actuando sobre el A? La explicación más ortodoxa nos dice que estas dos partículas entrelazadas constituyen, en realidad, un único sistema que conecta ambas partículas (y ambas ondas) de una forma que desconocemos. 

Nadie duda de que estamos ante algo totalmente contrario al sentido común. El propio Albert Einstein se resistió durante toda su vida a creer en esto; incluso ideó el experimento mental conocido como "paradoja EPR" (Einstein, Podolsky y Rosen) para rebatirlo. Sin embargo, numerosas pruebas llevadas a cabo en distintas partes del mundo (como las de Alain Aspect para demostrar las desigualdades de Bell), han demostrado que las conclusiones de la Mecánica Cuántica sobre el entrelazamiento son acertadas. Estas conclusiones son la base de nuevos estudios y disciplinas como la Teleportación Cuántica, la Computación Cuántica y Criptografía Cuántica.