¿De qué estamos hechos realmente?: El átomo en una caja de Legos

El átomo fue por mucho tiempo el objeto fundamental para la construcción de la materia, era la reducción más mínima de ella y era indivisible. Años pasaron y en menos de un cuarto de siglo el átomo era un conjunto de partículas, unas comprimidas en el centro y otras más pequeñas orbitando ese centro en un espacio prácticamente vacío (el volumen de un átomo es 99.9999% vacío) y con ello quedaba claro que la composición de la materia era mucho más compleja, por practicidad lo que la mayoría aprendemos es que hay protones con carga positiva, neutrones sin carga y electrones con carga negativa. De los últimos ya hablamos anteriormente y ahora sabemos que son partículas fundamentales y tienen una “familia” conocida como los leptones que a su vez forma parte de un grupo de partículas del modelo estándar llamados fermiones. Ahora toca hablar de las otras dos partículas dentro del átomo: los protones y neutrones, o siguiendo con nombres curiosos… los hadrones (de aquí viene la “H” del LHC o Large Hadron Collider).

Los hadrones no son parte del modelo estándar, no son partículas fundamentales porque su existencia resulta de la interacción de otro tipo de fermiones: los quarks, ellos son el tema principal de este escrito. Hasta este punto varias palabras extrañas han surgido y para entenderlas debemos saber que hay una propiedad de las partículas fundamentales conocida como el espín, en la escuela nos explican que el espín es la dirección de giro de los electrones, pero es algo un poco más complejo que eso, realmente es un momento angular que tienen las partículas por el simple hecho de existir (es intrínseco) y en el caso de los fermiones (como el electrón) adquieren valores que son múltiplos de o más simple (así tenemos partículas con espín ). Los hadrones como el protón y el neutrón tienen también su familia: los bariones, de espín y están compuestos por combinaciones de distintos tipos de quarks.

Y es aquí donde entran los Lego, los quarks básicamente son como piezas de lego, cada pieza tiene sus ciertas características y puede embonar con la gran mayoría, aunque no con todas necesariamente, y las combinaciones posibles son muy variadas y pueden ser ideas tan complejas como la imaginación (del físico que las estudia) lo permita. Básicamente nuestra caja viene con 3 piezas cuyos “sabores” son up, down y strange, que siguiendo la analogía de los legos serían los de uno, dos y tres puntos cada uno con su carga, masa y espín. Combinaciones de interacción entre estos quarks, dan como resultado partículas como el protón o el neutrón y otras muchas partículas más. Al momento de “ensamblar” estos quarks, hay dos reglas importantes: su ensamblaje viene en grupos de 3 y no pueden repetirse en el mismo ensamble, sin embargo, el neutrón por ejemplo, resulta de la interacción de dos quarks down y un quark up, y es aquí donde los Lego vuelven a salvar a la física, pues al igual que los cubos, los quarks vienen en colores (no literalmente, pero así lo propuso un físico para adecuarlo a nuestra mente), específicamente 3 colores para cada sabor, de modo que dos quarks up pueden ponerse en el mismo sistema porque no tienen el mismo color, respetando las reglas del manual.

Más adelante, experimentos de colisiones de partículas (como los que se hacen en el LHC) permitieron descubrir otros tres quarks más pesados (en física de partículas, más pesados implica mayor energía, los quarks up, down y strange tienen valores de MeV o mega electrón volts o varios millones de electrones acelerados por 1 volt), estos quarks se encontraron al detectar energías de GeV (mil millones de electrón volts) en las colisiones y se denominaron charm, top y bottom también con su carga, masa, espín y evidentemente, su color que son algo así como los Lego de dos columnas (el cuadrado y los rectángulos de 6 y 8 puntos).

Las combinaciones a partir de esta idea de sabores y colores, dan como resultado una gran variedad de partículas, algunas descubiertas experimentalmente y otras propuestas por físicos que estudian el modelo estándar y que teóricamente pueden existir, pero no hemos logrado detectarlas en los experimentos. De cualquier forma, el haber descubierto a este particular grupo de partículas es un gran logro y un paso enorme para poder comprender de qué está hecha la materia.

Ahora, retomando la idea de Lego, en un principio los cubitos no tenían esos pines en su forma que los hacen tan famosos actualmente, y debido a eso, hacer estructuras era complicado ya que al no estar bien anclados unos de otros, se caían con facilidad. Eso mismo pasa con nuestros quarks, solo son la pieza, pero para poder “ensamblarse” y mantenerse estables, necesitan de los -pines-, y de ellos hablaremos en el escrito final y poder contestar: ¿De qué estamos hechos realmente?