Cameron Merritt
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La fuerza nuclear fuerte es, como habrás adivinado, una fuerza muy fuerte en verdad. Es tan poderoso que es capaz de juntar algunas de las partículas más pequeñas del universo durante períodos muy largos, posiblemente para siempre. Las partículas unidas por la fuerza fuerte forman los componentes básicos de nuestro mundo cotidiano: protones y neutrones. Pero si cortara un protón o un neutrón, no encontraría una disposición simple y agradable de partículas subatómicas. En cambio, verías las asquerosas entrañas de quizás una de las fuerzas más complejas del universo..
Los protones y neutrones no son las únicas cosas que la fuerza fuerte puede hacer, pero realmente no entendemos los otros arreglos más complejos y exóticos. Es más, incluso nuestras observaciones y experimentos son en sí mismos muy esquemáticos. Pero los físicos están trabajando arduamente tratando de juntar las ideas sobre esta fuerza fundamental de la naturaleza..
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Fuerte y complejo
Para describir la fuerza fuerte, es mejor contrastarla con su prima mucho más famosa, la fuerza electromagnética. Con la fuerza electromagnética las cosas son simples, fáciles y sencillas; Tanto es así que los científicos de la década de 1900 fueron capaces de resolverlo principalmente. Con la fuerza electromagnética, cualquier partícula puede unirse a la fiesta siempre que tenga una propiedad llamada carga eléctrica. Si tienes esta carga, puedes sentir y responder a la fuerza electromagnética. Y todo tipo de partículas de todos los tipos y sabores llevan una carga eléctrica, como la variedad de electrones de tu jardín..
Otra partícula, la partícula de luz (también conocida como fotón), realiza 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. Sencillo, sencillo.
En contraste, hay seis partículas que están sujetas a la fuerte fuerza nuclear. Como grupo, se les conoce como los quarks y tienen nombres bastante extravagantes como arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encanto. Para sentir y responder a la fuerte fuerza nuclear, estos quarks tienen una carga propia. 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 fuerte fuerza nuclear 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 gluones, y hacen un gran trabajo… espera… uniendo quarks. 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, porque ¿por qué no?.
Todo esto significa que la fuerza nuclear fuerte es mucho más compleja e intrincada que su prima electromagnética..
Extrañamente fuerte
Está bien, mentí. Los físicos no solo llamaron a esta propiedad de los quarks y gluones "la carga de color" porque les apeteciera, 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, al igual que la luz roja, azul y verde se suman a la luz blanca ... La combinación más común es de tres quarks, uno de cada uno: 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. Por lo que puede tener grupos de tres quarks para hacer los protones y neutrones familiares. También puede hacer que un quark se enlace con su anti-quark, donde el color se cancela consigo mismo (como en, el verde se empareja con el anti-verde, y no, no lo estoy inventando a medida que avanzo), para hacer un tipo de partícula conocida como mesón.
Pero no termina ahí.
En teoría, cualquier combinación de quarks y gluones que se sumen al blanco es técnicamente permisible en la naturaleza..
Por ejemplo, dos mesones, cada uno con dos quarks dentro de ellos, pueden potencialmente unirse 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, haciendo lo que se llama una molécula hidrónica..
Y qué loco es esto: es posible que los propios gluones ni siquiera necesiten un quark para hacer 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 estados límite posibles permitidos por la fuerza nuclear fuerte se llama espectro de quarkonium, y ese no es un nombre inventado por un escritor de programas de televisión de ciencia ficción. Hay todo tipo de locas combinaciones potenciales de quarks y gluones que podrían existir.
Ellos también?
Quark Rainbow
Tal vez.
Los físicos han estado ejecutando experimentos de fuerza nuclear fuerte 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 sondear cada vez más profundamente en el espectro del quarkonium (y sí tienes mi permiso para usar esa frase en cualquier oración o conversación casual que quieras, es así de asombroso). En estos experimentos, los físicos han encontrado muchas colecciones exóticas de quarks y gluones. Los experimentalistas les dan nombres extravagantes, como χc2 (3930).
Estas exóticas partículas potenciales 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 de hacer 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 entender..
Los físicos teóricos han ideado un montón de técnicas para abordar este problema, pero las técnicas en sí mismas son incompletas o ineficientes. Si bien sabemos que existen algunos de estos estados exóticos en el espectro del quarkonium, es muy difícil predecir sus propiedades y firmas experimentales..
Aún así, los físicos están trabajando duro, como siempre. Lentamente, con el tiempo, estamos acumulando nuestra colección de partículas exóticas producidas en colisionadores y haciendo cada vez mejores predicciones sobre cómo deberían ser los estados teóricos del quarkonium. Las coincidencias se están uniendo lentamente, lo que nos da una imagen más completa de esta fuerza extraña pero fundamental en nuestro universo..
Paul M. Sutter es un astrofísico en La Universidad Estatal de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacial, y autor de Tu lugar en el universo.
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