La fuerza nuclear fuerte es, como habrás adivinado, una fuerza muy fuerte. Es tan poderoso que es capaz de reunir algunas de las partículas más pequeñas del universo durante períodos muy largos, posiblemente para siempre. Las partículas unidas por la fuerza fuerte forman los bloques de construcción de nuestro mundo cotidiano: protones y neutrones. Pero si tuviera que abrir un protón o neutrón, no encontraría una disposición simple y agradable de partículas subatómicas. En cambio, verías las vísceras repugnantes de quizás una de las fuerzas más complejas del universo.
Los protones y los neutrones no son las únicas cosas que la fuerza fuerte puede hacer, pero realmente no entendemos los otros arreglos más complejos y exóticos. Lo que es más, incluso nuestras observaciones y experimentos son muy esquemáticos. Pero los físicos están trabajando arduamente tratando de reconstruir las percepciones de esta fuerza fundamental de la naturaleza.
Fuerte y complejo
Para describir la fuerza fuerte, es mejor contrastarla con su primo mucho más famoso, la fuerza electromagnética. Con la fuerza electromagnética, las cosas son simples, fáciles y directas; tanto, que los científicos en la década de 1900 pudieron resolverlo en su mayoría. Con la fuerza electromagnética, cualquier partícula puede unirse a la fiesta siempre que tenga una propiedad llamada carga eléctrica. Si tiene esta carga, puede sentir y responder a la fuerza electromagnética. Y todo tipo de partículas de todas las rayas y sabores llevan una carga eléctrica, como su variedad electrónica de jardín.
Otra partícula, la partícula de luz (también conocida como fotón), hace el trabajo de transmitir la fuerza electromagnética de una partícula cargada a otra. El fotón en sí no tiene su propia carga eléctrica y no tiene masa. Viaja a la velocidad de la luz, moviéndose de un lado a otro por el universo, haciendo que suceda el electromagnetismo.
Carga eléctrica. Un único portador de la fuerza electromagnética. Simple, directo.
En contraste, hay seis partículas que están sujetas a la fuerza nuclear fuerte. Como grupo, son conocidos como los quarks y tienen nombres suficientemente extravagantes como arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encanto. Para sentir y responder a la fuerza nuclear fuerte, estos quarks tienen su propia carga. No es una carga eléctrica (aunque también tienen una carga eléctrica y también sienten la fuerza electromagnética), pero por varias razones que hacen que las cosas sean realmente confusas, los físicos llaman a esta carga especial asociada con la fuerza nuclear fuerte la carga de color.
Los quarks pueden tener uno de tres colores, llamados rojo, verde y azul. Solo para aclarar, no son colores reales, sino solo etiquetas que le damos a esta extraña propiedad de carga.
Entonces, los quarks sienten la fuerza fuerte, pero es transportada por una gran cantidad de otras partículas, ocho, para ser precisos. Se llaman los gluones, y hacen un gran trabajo de ... esperen ... pegar quarks juntos. Los gluones también tienen la capacidad y el deseo de llevar su propia carga de color. Y tienen masa.
Seis quarks, ocho gluones. Los quarks pueden cambiar su carga de color, y los gluones también pueden hacerlo, porque ¿por qué no?
Todo esto significa que la fuerza nuclear fuerte es mucho más compleja e intrincada que su primo electromagnético.
Extrañamente fuerte
De acuerdo, mentí. Los físicos no solo llamaron a esta propiedad de los quarks y gluones "la carga de color" porque les apetecía, sino porque sirve como una analogía útil. Los gluones y los quarks pueden unirse para formar partículas más grandes siempre que todos los colores se sumen al blanco, así como la luz roja, azul y verde se suman a la luz blanca ... La combinación más común es tres quarks, uno de cada uno de color rojo, verde, y azul. Pero la analogía se vuelve un poco complicada aquí, porque cada quark individual puede tener cualquiera de los colores asignados en cualquier momento; lo que importa es la cantidad de quarks para obtener las combinaciones correctas. Entonces puedes tener grupos de tres quarks para hacer los protones y neutrones familiares. También puede tener un enlace de quark con su anti-quark, donde el color se cancela por sí mismo (como en verde, pares con anti-verde, y no, no estoy inventando esto a medida que avanzo), para hacer un tipo de partícula conocida como mesón.
Pero no termina ahí.
Teóricamente, cualquier combinación de quarks y gluones que se sumen al blanco es técnicamente admisible en la naturaleza.
Por ejemplo, dos mesones, cada uno con dos quarks dentro de ellos, pueden unirse potencialmente en algo llamado tetraquark. Y en algunos casos, puede agregar un quinto quark a la mezcla, aún equilibrando todos los colores, llamado (lo adivinó) un pentaquark.
El tetraquark ni siquiera tiene que estar técnicamente unido en una sola partícula. Simplemente pueden existir cerca unos de otros, formando lo que se llama una molécula hidrónica.
Y qué loco es esto: los gluones mismos ni siquiera necesitan un quark para formar una partícula. Simplemente puede haber una bola de gluones colgando, relativamente estable en el universo. Se llaman bolas de pegamento. El rango de todos los posibles estados unidos permitidos por la fuerza nuclear fuerte se llama espectro de quarkonio, y ese no es un nombre inventado por un escritor de programas de televisión de ciencia ficción. Hay todo tipo de combinaciones potenciales locas de quarks y gluones que podrían existir.
¿Y ellos?
Quark Rainbow
Tal vez.
Los físicos han estado realizando fuertes experimentos de fuerza nuclear durante bastantes décadas, como el Experimento Baber y algunos en el Gran Colisionador de Hadrones, lentamente a lo largo de los años acumulando niveles de energía más altos para explorar más y más profundamente en el espectro de quarkonio (y sí tienes mi permiso para usar esa frase en cualquier oración o conversación informal que quieras, es increíble). En estos experimentos, los físicos han encontrado muchas colecciones exóticas de quarks y gluones. Los experimentadores les dan nombres funky, como χc2 (3930).
Estas partículas potenciales exóticas solo existen fugazmente, pero en muchos casos existen de manera concluyente. Pero los físicos tienen dificultades para conectar estas partículas producidas brevemente con las teóricas que sospechamos que deberían existir, como los tetraquarks y las bolas de pegamento.
El problema con la conexión es que las matemáticas son realmente difíciles. A diferencia de la fuerza electromagnética, es muy difícil hacer predicciones sólidas que involucren una fuerza nuclear fuerte. No es solo por las complicadas interacciones entre los quarks y los gluones. A energías muy altas, la fuerza de la fuerza nuclear fuerte en realidad comienza a debilitarse, lo que permite que las matemáticas se simplifiquen. Pero a energías más bajas, como la energía necesaria para unir quarks y gluones para formar partículas estables, la fuerza nuclear fuerte es en realidad, bueno, muy fuerte. Esta mayor fuerza hace que las matemáticas sean más difíciles de resolver.
Los físicos teóricos han ideado varias técnicas para abordar este problema, pero las técnicas en sí son incompletas o ineficientes. Si bien sabemos que existen algunos de estos estados exóticos en el espectro del quarkonio, es muy difícil predecir sus propiedades y firmas experimentales.
Aún así, los físicos están trabajando duro, como siempre lo hacen. Lentamente, con el tiempo, estamos construyendo nuestra colección de partículas exóticas producidas en colisionadores, y haciendo predicciones cada vez mejores sobre cómo deberían ser los estados teóricos del quarkonium. Las coincidencias se están uniendo lentamente, dándonos una imagen más completa de esta fuerza extraña pero fundamental en nuestro universo.
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacialy autor de Tu lugar en el universo.
