Un nuevo descubrimiento para la física cuántica

Desde siempre nos enseñaron que el universo se constituye de átomos , que ellos son la unidad fundamental de la materia y que se compone de neutrones, electrones y protones. Sin embargo, ¡hay estudios que proponen la existencia de otras partículas aún más pequeñas! Y estos son los quarks.

¿Qué es un quark?

Se definieron por primera vez en 1964 por los científicos George Zweig y Murray Gell-Mann, siendo este último el primero en acuñar el término quark, de la novela Finnigans Wake (James Joyce), a partir de una curiosa rima que, si tradujéramos al español ahora mismo, perdería toda la gracia.

Sin embargo, sirvió para que Gell-Mann la utilizara entonces como una herramienta matemática. Hoy en día, corresponden a un grupo de partículas subatómicas elementales, las cuales interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte y se cree que son parte de los constituyentes fundamentales de la materia.

Los quarks se unen entre sí para formar protones y neutrones de la misma forma en que estas últimas partículas se combinan para formar el núcleo atómico. Así, los quarks se unen para formar hadrones; siendo la unión entre un quark y un antiquark un mesón, y la unión de tres quarks un barión

Luego, para crear a los hadrones, los quarks suelen agruparse de a dos o tres. No obstante, se predecía la existencia de hadrones que iban de a cuatro (tetraquark) o cinco (pentaquark) quarks.

Además, existen seis sabores -o tipos- de quarks y difieren de los demás por su masa y carga. Se clasifican en tres pares: up (u) y down (d); charm (c) y strange (s); por último, top (t) y bottom (b).

Curiosamente, los primeros descubrimientos de quarks solo contemplaban tres (up, down y strange). Luego, en 1974, 1977 y 1995 se descubren los quarks charm, bottom y top.

Figura 1. Seis tipos (sabores) de quarks agrupados en tres pares: Up y Down, Charm y Strange, Top y Bottom.

El nuevo tetraquark

A finales de agosto de este año, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), descubrió un tetraquark compuesto por dos quarks (C) y dos antiquark (C), siendo esta la primera partícula formada por cuatro quarks del mismo tipo.

El descubrimiento ocurrió en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este es un acelerador de partículas cuyo trabajo consiste en provocar el choque de dos haces de protones —casi a la velocidad de la luz— para liberar muchas partículas como resultado final.

Figura 2. Ilustración de un tetraquark compuesto por dos quarks charm y dos antiquarks charm, detectado por primera vez por la colaboración del LHCb en el CERN (Imagen: CERN).

En la colisión de protones, se registró ante los ojos atentos del LHCb —experimento especializado en la física del quark— una masa que correspondería a dos pares de quarks charm y dos antiquarks charm, siendo este el primero conformado por dos pares de quarks y antiquarks del mismo sabor (charm).

Los resultados no podrían haberse obtenido sin la técnica «bump», que consiste en buscar un exceso de datos en la distribución invariante de masa de un par de partículas en el estado final de una colisión.

Aportes del tetraquark a la física

Un tetraquark sería un hadrón exótico, dado que sale del modelo común de hadrones. La primera propuesta de tetraquark se dio en Japón, en el año 2003, donde a la partícula se le llamó X (3872) y X representaba un nombre transitorio del posible tetraquark. Posteriormente se encontraron posibles tetraquarks en los años 2004, 2007, 2009, 2010, 2013, 2014 y, por fin, en 2020.

La importancia de los quarks no es menor. Sirven para dar origen a protones y neutrones, agrupándose en bariones uud (2 quarks up y 1 quark down) para los protones y udd (1 quark up y 2 quarks down) para los neutrones.

¡Uf! Un poco complicado, ¿no? Pero de no ser por estas etiquetas que han tenido que crear los expertos de esta ciencia, no habría otra manera de explicarlo.

La comprobación de la existencia de un tetraquark ayudaría a científicos y científicas a comprender las interacciones subatómicas, particularmente la fuerza nuclear fuerte, que es la interacción que se da en el núcleo del átomo. Esto representa un avance significativo en el área de la cromodinámica cuántica, que investiga el color producido por las interacciones de la fuerza nuclear fuerte originada en las interacciones entre los quarks.

Figura 3. Representación gráfica de un “bump”. Rudolf, M. M. (2019, 4 diciembre). 12 steps from idea to discovery [Gráfico]. CERN.

Este hecho ayudará a los físicos teóricos a probar modelos de la teoría de cromodinámica cuántica (Teoría cuántica de campos que describe la fuerza fuerte).