Los Quarks En Realidad No Tienen Colores

A un nivel fundamental, la realidad está determinada por solo dos propiedades de nuestro Universo: los cuantos que componen todo lo que existe y las interacciones que tienen lugar entre ellos. Si bien las reglas que rigen todo esto pueden parecer complicadas, el concepto es extremadamente sencillo. El Universo está compuesto de bits discretos de energía que están unidos en partículas cuánticas con propiedades específicas, y esas partículas interactúan entre sí de acuerdo con las leyes de la física que subyacen a nuestra realidad.

Algunas de estas propiedades cuánticas gobiernan si y cómo una partícula interactuará bajo una cierta fuerza. Todo tiene energía y, por lo tanto, todo experimenta la gravedad. Sin embargo, solo las partículas con el tipo correcto de cargas experimentan las otras fuerzas, ya que esas cargas son necesarias para que se produzcan los acoplamientos. En el caso de la fuerza nuclear fuerte, las partículas necesitan una carga de color para interactuar. Sólo que los quarks no tienen colores. Esto es lo que está pasando en su lugar.

Si bien es posible que no entendamos todo acerca de esta realidad, hemos descubierto todas las partículas del Modelo Estándar y la naturaleza de las cuatro fuerzas fundamentales — la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte — que gobiernan sus interacciones. Pero no todas las partículas experimentan todas las interacciones; se necesita el tipo correcto de carga para eso.

De las cuatro fuerzas fundamentales, cada partícula tiene una energía inherente, incluso partículas sin masa como fotones. Mientras tengas energía, experimentarás la fuerza gravitacional. Además, solo hay un tipo de carga gravitacional: energía positiva (o masa). Por esta razón, la fuerza gravitacional es siempre atractiva, y ocurre entre todo lo que existe en el Universo.

el Electromagnetismo es un poco más complicado. En lugar de un tipo de carga fundamental, hay dos: cargas eléctricas positivas y negativas. Cuando las cargas similares (positivas y positivas o negativas y negativas) interactúan, se repelen, mientras que cuando las cargas opuestas (positivas y negativas) interactúan, se atraen.

Esto ofrece una posibilidad emocionante que la gravedad no tiene: la capacidad de tener un estado de enlace que no ejerce una fuerza neta sobre un objeto externo cargado por separado. Cuando cantidades iguales de cargas positivas y negativas se unen en un solo sistema, se obtiene un objeto neutro: uno sin carga neta. Las cargas libres ejercen fuerzas atractivas y/o repulsivas, pero los sistemas sin carga no lo hacen. Esa es la mayor diferencia entre gravitación y electromagnetismo: la capacidad de tener sistemas neutros compuestos de cargas eléctricas no nulas.

Si imagináramos estas dos fuerzas una al lado de la otra, podríamos pensar que el electromagnetismo tiene dos direcciones, mientras que la gravitación solo tiene una dirección. Las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas, y las diversas combinaciones de positivo-positivo, positivo-negativo, negativo-positivo y negativo-negativo permiten tanto la atracción como la repulsión. La gravitación, por otro lado, solo tiene un tipo de carga y, por lo tanto, solo un tipo de fuerza: la atracción.

Aunque hay dos tipos de carga eléctrica, solo se necesita una partícula para cuidar la acción atractiva y repulsiva del electromagnetismo: el fotón. La fuerza electromagnética tiene una estructura relativamente simple-dos cargas, donde las similares se repelen y los opuestos se atraen-y una sola partícula, el fotón, puede dar cuenta de los efectos eléctricos y magnéticos. En teoría, una sola partícula, el gravitón, podría hacer lo mismo para la gravitación.

Pero luego, en una base completamente diferente, está la fuerza fuerte. Es similar a la gravedad y al electromagnetismo, en el sentido de que hay un nuevo tipo de carga y nuevas posibilidades para una fuerza asociada a ella.

Si piensas en un núcleo atómico, debes reconocer inmediatamente que debe haber una fuerza adicional que sea más fuerte que la fuerza eléctrica, de lo contrario, el núcleo, hecho de protones y neutrones, se separaría debido a la repulsión eléctrica. La fuerza nuclear fuerte, llamada de forma creativa, es la parte responsable, ya que los componentes de los protones y neutrones, los quarks, tienen cargas eléctricas y un nuevo tipo de carga: carga de color.

Al contrario de lo que podrías esperar, sin embargo, no hay color involucrado en absoluto. La razón por la que lo llamamos carga de color es porque en lugar de un tipo de carga fundamental y atractiva (como la gravedad), o dos tipos opuestos de carga fundamental (positiva y negativa, como el electromagnetismo), la fuerza fuerte está gobernada por tres tipos fundamentales de carga, y obedecen reglas muy diferentes a las otras fuerzas más familiares.

Para cargas eléctricas, una carga positiva puede cancelarse con una carga igual y opuesta, una carga negativa, de la misma magnitud. Pero para los cargos de color, tienes tres tipos fundamentales de cargos. Para cancelar una carga de un solo color de un tipo, necesita uno de cada uno de los tipos segundo y tercero. La combinación de números iguales de los tres tipos da como resultado una combinación que llamamos “incolora”, e incolora es la única combinación de partículas compuestas que es estable.

Esto funciona de forma independiente para quarks, que tienen una carga de color positiva, y antiquarks, que tienen una carga de color negativa. Si imaginas una rueda de colores, puedes poner rojo, verde y azul en tres lugares equidistantes, como un triángulo equilátero. Pero entre el rojo y el verde sería amarillo; entre el verde y el azul sería cian; entre rojo y azul sería magenta.

Estas cargas de color intermedias corresponden a los colores de las antipartículas: los anticolores. Cian es lo mismo que anti-rojo; magenta es lo mismo que anti-verde; amarillo es lo mismo que anti-azul. Del mismo modo que puedes sumar tres quarks con colores rojo, verde y azul para hacer una combinación incolora (como un protón), puedes sumar tres antiquarks con colores cian, magenta y amarillo para hacer una combinación incolora (como un antiprotón).

Si sabes algo sobre el color, podrías empezar a pensar en otras formas de generar una combinación incolora. Si tres colores diferentes o tres anticolores diferentes pudieran funcionar, ¿tal vez la combinación correcta de color y anticolor podría llevarlo allí?

De hecho, puede. Se puede mezclar la combinación correcta de un quark y un antiquark para producir una partícula compuesta incolora, conocida como mesón. Esto funciona, porque:

• rojo y cian,
• verde y magenta,
• y azul y amarillo

son todos incoloro combinaciones. Mientras se sumen a una carga neta incolora, las reglas de la fuerza fuerte les permiten existir.

Esto podría iniciar su mente por algunos caminos interesantes. Si rojo + verde + azul es una combinación incolora, pero rojo + cian también es incoloro, ¿significa eso que verde + azul es lo mismo que cian?

Eso es absolutamente correcto. Significa que puede tener un solo quark (de color) emparejado con cualquiera de los siguientes:

• dos quarks,
• un antiquark,
• otros tres quark y un antiquark,
• un quark y dos antiquarks,
• otros cinco quarks,

o cualquier otra combinación que conduce a un gas incoloro total. Cuando oigas hablar de partículas exóticas como tetraquarks (dos quarks y dos antiquarks) o pentaquarks (cuatro quarks y un antiquark), debes saber que obedecen estas reglas.

Pero el color es solo una analogía, y esa analogía se romperá rápidamente si empiezas a mirarlo con demasiado detalle. Por ejemplo, la forma en que funciona la fuerza fuerte es intercambiando gluones, que llevan una combinación de color y anticolor con ellos. Si usted es un quark azul y emite un gluón, puede transformarse en un quark rojo, lo que significa que el gluón que emitió contenía una carga de color cian (anti-rojo) y azul, lo que le permite conservar el color.

Podrías pensar, entonces, con tres colores y tres anticolores, que habría nueve tipos posibles de gluones que podrías tener. Después de todo, si combinaste cada rojo, verde y azul con cada cian, magenta y amarillo, hay nueve combinaciones posibles. Esta es una buena primera conjetura, y es casi correcta.

Sin embargo, resulta que solo existen ocho gluones. Imagine que es un quark rojo y emite un gluón rojo / magenta. Vas a convertir el quark rojo en un quark verde, porque así es como conservas el color. Ese gluón encontrará un quark verde, donde el magenta se aniquilará con el verde y dejará atrás el color rojo. De esta manera, los colores se intercambian entre partículas de colores que interactúan.

Esta línea de pensamiento es sólo bueno para seis de los gluones, aunque:

• rojo/magenta,
• rojo/amarillo,
• verde/cyan,
• verde/amarillo,
• azul/cian, y
• azul/magenta.

Cuando te encuentras con las otras tres posibilidades: rojo/cian, verde / magenta y azul/amarillo, hay un problema: todas son incoloras.

En física, cuando tienes partículas que tienen los mismos números cuánticos, se mezclan. Estos tres tipos de gluones, todos incoloros, se mezclan absolutamente. Los detalles de cómo se mezclan son bastante profundos y van más allá del alcance de un artículo no técnico, pero termina con dos combinaciones que son una mezcla desigual de los tres colores y anticolores diferentes, junto con una combinación que es una mezcla de todos los pares de colores/anticolores por igual.

Este último es verdaderamente incoloro y no puede interactuar físicamente con ninguna de las partículas o antipartículas con cargas de color. Por lo tanto, solo hay ocho gluones físicos. El intercambio de gluones entre quarks (y/o antiquarks), y de partículas incoloras entre otras partículas incoloras, es literalmente lo que une los núcleos atómicos.

Podemos llamarlo carga de color, pero la fuerza nuclear fuerte obedece reglas que son únicas entre todos los fenómenos del Universo. Si bien atribuimos colores a los quarks, anticolores a los antiquarks y combinaciones de colores y anticolores a los gluones, es solo una analogía limitada. En verdad, ninguna de las partículas o antipartículas tiene un color en absoluto, sino que simplemente obedecen las reglas de una interacción que tiene tres tipos fundamentales de carga, y solo se permite que existan en la naturaleza combinaciones que no tienen carga neta bajo este sistema.

Esta compleja interacción es la única fuerza que puede vencer la fuerza electromagnética y mantener dos partículas de igual carga eléctrica unidos en una sola estructura estable: el núcleo atómico. Los quarks en realidad no tienen colores, pero tienen cargas gobernadas por la interacción fuerte. Solo con estas propiedades únicas pueden combinarse los bloques de construcción de la materia para producir el Universo que habitamos hoy en día.