Hace 50 años descubrimos el cuarto quark

Hace apenas 50 años, un grupo de físicos descubrió un nuevo quark, el “elemento básico” de los protones y neutrones. Relato de uno de sus descubridores.

A principios de los años 70, los físicos de partículas tenían a su disposición dos imponentes centros aceleradores para estudiar lo infinitamente pequeño: el CERN europeo en Ginebra y el Brookhaven estadounidense cerca de Nueva York. Cada uno albergaba un acelerador de protones de 620 m de circunferencia capaz de alcanzar la entonces asombrosa energía de 25 GeV. La unidad de energía aquí es el electrón voltio (eV), siendo 1eV la energía de un electrón que cruza un voltaje de 1V. Usamos múltiplos: keV (10³), MeV (10⁶) un GeV (10⁹). Esto sigue siendo infinitesimal en comparación con el mundo ordinario. ¡1 GeV, equivalente a la masa del protón, corresponde a una energía que aumentaría la temperatura de un gramo de agua en una milmillonésima de grado!

Gracias a estas máquinas, la física multiplicó el número de partículas elementales siguiendo una receta sencilla: bombardeando un objetivo con un haz de protones acelerados, analizábamos las partículas que salían. De este modo acumulamos alrededor de 200 tipos de objetos elementales, en particular numerosas resonancias.

¿Qué es una resonancia? Mientras que partículas como protones, electrones, piones, kaones, etc. pueden seguirse a distancias macroscópicas, las resonancias se desintegran tan pronto como se crean, dando lugar a dos o tres partículas que deben asociarse para encontrar la resonancia original. Empíricamente se ha observado que cuanto mayor es su masa, menor es su esperanza de vida, llegando a los 10^-23 s. La disciplina había languidecido durante varios años sin una dirección clara frente a un zoológico heterogéneo y de apariencia bastante desordenada.

El juego de Lego quarks

200 objetos elementales para construir el mundo, esa no podría ser la última palabra. Afortunadamente, los físicos Murray Gell-Mann, por un lado, y George Zweig, por otro, sugirieron la existencia de componentes más elementales en la base de las partículas enumeradas. Gell-Mann los llamó quarks y demostró que las 200 especies conocidas podían entenderse como conjuntos de tres quarks diferentes llamados u, d y s. Zweig los llamó “as”, sino “quark”, que proviene de la novela de James Joyce. Estela de Finnegansse impone.

Los quarks llevan cargas eléctricas que son una fracción de la carga elemental del electrón, respectivamente +2/3 para u y -1/3 para d y s. Con estos tres objetos básicos y tres antiquarks asociados que llevan la carga opuesta, reconstruimos dos familias de partículas:

• los bariones que son tripletes de quarks, por ejemplo uud y udd forman protones y neutrones respectivamente; las cargas +1 y 0 se restablecen correctamente.

• mesones que son pares que asocian un quark y un antiquark,

Con sólo tres dados disponibles, la naturaleza construyó todas las partículas conocidas. Faltaba una asociación, la del barión correspondiente al triplete sss. Esta fue la predicción del modelo. Se realizó una búsqueda y se descubrió un “gran Ω” en Brookhaven en 1964 con la masa prevista. Gell-Mann recibió el Premio Nobel en 1969.

Todas las partículas conocidas tienen una carga eléctrica +1, 0, -1 la del electrón. Las cargas no enteras que se supone caracterizan a los quarks nunca se han observado libremente. Sin embargo, los quarks existen en la medida en que operan durante las interacciones entre partículas. Pero, una vez creados, se “visten” con otros quarks o antiquarks para formar partículas, bariones o mesones “reales”. A nuestro nivel, los quarks siguen siendo objetos virtuales, necesarios para interpretar las observaciones.

Los quarks constituyen el nivel de materia más básico explorado hasta la fecha. Su “tamaño” es inferior a 10^-18 m mientras que las partículas que las componen son mil veces mayores en tamaño.

La revolución del 10 de noviembre de 1974

Además de los dos grandes laboratorios mencionados, había centros más modestos. En Francia, funcionaba una máquina de protones en Saclay y una máquina de electrones en Orsay. También se estaba desarrollando un sistema en el campus de Stanford, el corazón de Silicon Valley, al sur de San Francisco. El laboratorio, llamado SLAC, había construido un acelerador “en el aparcamiento”, es decir financiado íntegramente con los costes de funcionamiento, sin petición presupuestaria específica, ¡lo que merece ser destacado hoy! Se trataba de un dispositivo que aceleraba electrones y positrones en dirección opuesta en un colisionador de 80 m de diámetro, con una energía máxima de 4 GeV por haz. Tomó el nombre de SPEAR, “Stanford Positron Electron Accelerator Ring”.

Alrededor de un punto de interacción entre positrones y electrones, se construyó un detector de nuevo diseño para medir mejor todos los productos de la colisión. Fue el primer detector hermético que cubría todo el espacio para que nada pudiera escapar. Lo llamamos Mark1.

El experimento comenzó a tomar datos ya en 1973 y fue vergonzoso. El ordenador que gestionó la recogida de datos registró aproximadamente una colisión cada dos o tres minutos, que señaló emitiendo un breve sonido. Esta tasa fue varias veces mayor de lo previsto por la teoría.

Variamos la energía en un barrido relativamente aproximado, en pasos de 50 MeV: así, medimos la tasa de colisión en 2.550 GeV, luego en 2.600 GeV y luego en 2.650 GeV… Surgieron dos problemas. En primer lugar, como ya se mencionó, la tasa de interacción resultó ser significativamente mayor de lo previsto. Además, los datos tomados con la energía nominal de 3.100 GeV en tres períodos diferentes no coincidían entre sí, y dos períodos arrojaron tasas mucho más altas que el tercero. La reproducibilidad de la física parecía violada.

La señal mágica

Y entonces, a alguien se le ocurrió la idea de hacer un escaneo energético mucho más fino. En lugar de aumentar de 50 MeV a 50 MeV, variaríamos la energía en pasos más pequeños de 2 MeV a 2 MeV. Y allí se reveló el milagro el 10 de noviembre de 1974, era domingo. Éramos tres o cuatro en la sala de control cuando el ordenador, que emitía su sonito con cada nueva colisión, en lugar de crepitar cada dos o tres minutos, empezó a acelerar el ritmo. Era la señal mágica que todos esperábamos: entre las energías de 3100 y 3120 MeV, la velocidad de las interacciones y, por tanto, la señal sonora del ordenador, aumentó repentinamente en un factor de 100. El “tiroteo” duró unos pocos minutos . Luego, superado el pico descubierto, el ordenador reanudó su rutina inmediatamente después de dos minutos.

Se había revelado una estructura clara, se acababa de revelar una “resonancia estrecha” de masa 3096 MeV y ancho 87 keV. Esta anchura indicaba una vida útil 100 veces mayor de lo esperado. Estábamos buscando el perfil de una colina del Jura y descubrimos un pico alpino. Apareció un fenómeno completamente nuevo.

Rápidamente se redactó una publicación, firmada por un grupo de una treintena de físicos, un contingente que entonces parecía monstruoso y que hoy resulta muy modesto. Renovó la cosmovisión de lo infinitamente pequeño y el evento se denominó “revolución del 74 de noviembre”

Había que darle un nombre. Quedaron libres algunas letras griegas y elegimos Ψ. ¿Por qué esta partícula tuvo una vida tan larga? La interpretación no fue obvia. Dos escuelas discutieron durante una semana febril en el tercer piso del laboratorio donde los teóricos vivaqueaban, entre los partidarios de la liberación de los colores, una nueva “carga” imaginada para asociar los quarks entre sí, y los partidarios de la aparición de una nueva quark. El veredicto estaba claro: el experimento acababa de descubrir el cuarto quark, llamado c de encantado. Esto completó la lista de constituyentes elementales más allá de los tres quarks u, d y s introducidos por Gell-Mann.

Y si existe un nuevo quark, anuncia toda una familia de partículas encantadas que corresponden a todas las combinaciones permitidas entre cuatro quarks. Ya el 17 de noviembre encontramos el mesón Ψ’ con una masa de 3700 MeV, otro avatar de lo que llamamos charmonium, que asociaba un quark c con su anti-c.

¿Por qué “encanto”?

En cuanto a los recién nacidos, el nombre del amuleto proviene de la broma de un padrino. En astronomía, los planetas llevan nombres de dioses antiguos. Para las partículas, podríamos haberlas numerado, optamos por clasificarlas según el alfabeto, preferiblemente griego. Así, Δ, μ, Φ, Σ, Λ… se utilizaron casi todas las letras. Se favoreció el griego para que la física igualara en respetabilidad a su hermana, la filosofía. Pero alrededor de la década de 1960, el idioma evolucionó. Los nuevos científicos, menos inmersos en la cultura clásica, adoptaron nombres más prosaicos. Partículas extrañas con su quark s (extraño) había marcado la ruta. Encanto fue adoptado para el c, y la historia se repetirá con el hermoso quark b (o abajo) y el verdadero quark top (verdad o arriba). Hoy sabemos que con estos seis objetos la lista de quarks está completa, no hay nada más que descubrir en este frente.

Para cerrar la historia, la misma resonancia fue descubierta de forma independiente en colisiones de protones en Brookhaven, y allí el grupo eligió el nombre J. Esta letra, extraña al griego, se asemeja a un carácter chino que se escribe como el apellido de su descubridor. Y para no ofender a nadie, los físicos siguen llamando al mesón encantado con el nombre un tanto barroco de J/Ψ.