El estado del quark

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Murray Gell-Mann reflexiona sobre los bloques básicos de la materia y la resistencia de los científicos a las nuevas ideas.

Cuando en el curso de los eventos científicos se hace necesario disolver las lealtades a las creencias establecidas, puedes esperar enfrentarse a una gran cantidad de críticas.

Las nuevas ideas científicas, según observó en una ocasión el físico alemán Max Planck, triunfan no debido al poder de la razón, sino debido a que sus opositores finalmente mueren. Tal vez esto es un tanto exagerado. Pero ciertamente refleja el espíritu del conservadurismo científico imbuido en los libros de texto, revistas y departamentos académicos que imponen un consenso disciplinar en estudiantes y profesores. Los métodos de la ciencia son tan potentes, sostienen a veces sus defensores, que las visiones contrarias al consenso actual son tan probablemente incorrectas que no merece la pena tenerlas en cuenta seriamente.

Nadie comprende esta presión por parte de la ciencia establecda mejor que Murray Gell-Mann, ganador del Premio Nobel de Física que identificó los quarks como los bloques básicos finales de la mayor parte de la materia terrestre. Gell-Mann, que cumplirá 80 años el 15 de septiembre, ha sido testigo de la resistencia a muchos radicales avances durante su larga carrera, incluyendo algunos propios.

“La mayor parte de los retos a la ortodoxia científica son incorrectos”, enfatiza. “Muchos son extravagancias. Pero cada cierto tiempo aparece un reto a la ortodoxia científica que es realmente correcto. Y la gente que hace ese desafío se enfrenta a una situación terrible”.

Tomemos los quarks, propuestos por Gell-Mann en 1963 como constituyentes de los protones, neutrones y otras partículas subatómicas. “Mucha gente pensaba que los quarks eran una extravagancia”, dijo Gell-Mann en una entrevista el mes pasado durante su visita al Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey.

No obstante, como terminó siendo, los quarks significaron una de las visiones más profundas en la naturaleza de la materia desde las prescientes reflexiones de los antiguos atomistas griegos. Muchos científicos lo han intentado, pero hasta el momento ninguno ha tenido éxito al profundizar más en los constituyentes finales de la materia. Un reciente artículo, por ejemplo, propone que quarks y electrones están igualmente compuestos de entidades más básicas llamadas “espinones”. Sugerencias más antiguas invocaban a “preones”. Hasta el momento ni sus nombres ni las pruebas encajan como los quarks. Más de cuatro décadas después de que Gell-Mann los concibiera, los quarks mantienen su estatus como los bloques básicos indivisibles de toda sustancia tangible conocida.

Está claro, los electrones merodean y orquestan las curiosidades de la química, pero los quarks son los responsables del 99,9 por ciento de la materia común. Ningún ejemplo proporciona una razón mejor para tener cuidado de hacer caso omiso a las nuevas ideas. Y ninguna historia mejor para ilustrar el poder de la ciencia para deducir aspectos de la realidad profundamente ocultos a los sentidos humanos.

Deconstrucción atómica

En los viejos días de la infancia de la ciencia, grandes pensadores realizaron profundas cuestiones sobre la materia — por ejemplo, cómo de finamente podría ser cortada. Un grupo de griegos proclamó que la materia podría cortarse sólo hasta llegar a un límite al que dieron el encantador nombre de átomos — incortable.

Milenios después, los químicos y físicos construyeron sus ciencias sobre las bases proporcionadas por la idea del “átomo”. Pero el triunfo del atomismo desveló una confusión. Conforme se desarrollaba, la noción griega del “átomo” contenía dos conceptos. Por una parte, significaba la unidad más pequeña de una sustancia. Por otra parte, se suponía que significaba indivisible. Pero eso resultó no ser la misma cosa. Los átomos eran, efectivamente, las unidades más pequeñas de los elementos químicos, pero pueden (muy drásticamente) ser divididos.

Hace un siglo, los físicos se dieron cuenta de que los átomos tenían partes y estaban al borde de descubrir la arquitectura atómica. Los ayudantes de Ernest Rutherford habían sido testigos de las partículas alfa rebotando en una fina lámina de oro — tan increíble, dijo más tarde Rutherford, como el papel de seda repeliendo un fuego de artillería. Pronto descubrió que las partículas alfa se habían encontrado con los núcleos atómicos, las motas en el centro de cada átomo que ocupan apenas nada del espacio pero que concentran casi toda la masa. Los científicos pasaron casi el siguiente medio siglo separando el núcleo en sus constituyentes finales de la materia.

En la década de 1950, esos esfuerzos habían producido perplejidad. Los núcleos atómicos contenían dos tipos de partículas, o nucleones: el protón y el neutrón. Las observaciones de los rayos cósmicos y los experimentos con colisionadores de átomos, no obstante, abrían numerosas partículas aparentemente básicas, con extraños nombres como pión, lambda, delta y sigma, amenazaban con agotar el alfabeto griego. Enrico Fermi hizo su famosa cita sobre que se habría hecho botánico de haber podido recordar tantos nombres extraños.

Entre ese caos, Gell-Mann vio un patrón. En 1961 percibió (e independientemente, Yuval Ne’eman) una analogía entre alguna matemática arcana y las propiedades de las partículas conocidas. Gell-Mann ordenó las partículas en tablas, reminiscencia de la tabla periódica de los elementos químicos ideada por el químico ruso Dmitri Mendeleev casi un siglo antes.

Así como Mendeleev había predicho la existencia de elementos previamente desconocidos basándose en los huecos de su tabla, Gell-Mann predijo el descubrimiento de nuevas partículas. Como cierta clase de partículas aparecían en grupos de ocho, llamó a su sistema “la vía del octeto”, aunque posteriores comparaciones con el misticismo oriental le disgustaron. “Lo dije como una broma”, proclamó en una ocasión.

La tabla periódica de Mendeleev logró mucho más que predecir nuevos elementos. También sirvió como un primer signo de aviso de que los átomos no eran indivisibles. Su tabla demostró que cuando se listaban por orden de peso, los átomos mostraban patrones en sus propiedades: las columnas de la tabla contenían familias de elementos similares. Tal patrón repetitivo de propiedades sugería que los átomos en una columna poseían ordenaciones similares a otros en su familia — lo que implicaba que tenían algunas partes internas en la misma ordenación. De la misma forma, las regularidades en las tablas de Gell-Mann implicaban una estructura más profunda en la naturaleza de las partículas básicas.

En ese momento, muchos físicos de partículas creían que el protón, neutrón y sus partículas primas podrían ser socios en una conspiración para crearse a sí mismos. En otras palabras, ninguna partícula era realmente básica – cada una era una combinación de alguna de las otras tres (tal vez incluyéndose a sí misma). Este principio de “autosuficiencia” evitó la necesidad de declarar algunas partículas como el ladrillo básico final atómico.

Gell-Mann, no obstante, encontró lo que describió en un artículo de 1964, en el que introducía a los quarks, como un “esquema más simple y elegante”. Todos lo parientes de los protones y neutrones y el zoo subatómico, incluyendo los propios protones y neutrones, podían explicarse como compuestos de tres bloques básicos. Cada uno tenía su propia etiqueta: u, d y s, para up (arriba), down (abajo) y strange (extraño). Eligió el nombre de quark (el graznido de una gaviota) de una línea de “El Despertar de Finnegan” de James Joyce: “Three quarks for Muster Mark”. (Independientemente, el físico George Zweig sugirió una idea similar, llamando a las partículas básicas “ases”. Un nombre no tan cautivador).

Los quarks desafiaban a la ortodoxia física a varios niveles, violando al menos tres princioios predominantes. “Uno de ellos era que el neutrón y el protón eran elementales — no estaban compuestos por nada más simple”, dijo Gell-Mann durante una entrevista en Princeton. Segundo, los quarks tenían que estar permanentemente atrapados dentro de partículas observables, lo que también desafiaba las creencias mentenidas por muchos físicos. “Pensaban que era una idea loca”, comenta.

Tercero, los quarks poseían la extraña propiedad de una carga eléctrica fraccional, algo nunca observado antes (incluso hoy) para una partícula subatómica. Todas las partículas cargadas observables poseen algún múltiplo entero de la carga del electrón, la unidad mínima de carga eléctrica que ofrece la naturaleza. “La idea de partículas con una carga fraccional también fue considerada como una extravagancia”, dijo Gell-Mann. “Por tanto los quarks tenían tres golpes en su contra, procedentes de estos tres prncipios – todos ellos incorrectos, por supuesto”.

Proliferación de los quarks

Con el paso de los años, el apoyo a la idea de los quarks creció, no obstante, incluso cuando la descripción elegante original de Gell-Mann se hizo algo más compleja. Una nueva partícula descubierta en 1974 implicaba la existencia de un cuarto quark, llamado charm (una especie de compañero del quark strange, así como el up estaba asociado con el down). Tres años más tarde las pruebas dieron como resultado otro quark. Este fue conocido como bottom, y naturalmente requería un sexto quark — el top — que no fue descubierto de forma definitiva hasta 1995.

La mayoría de expertos dudan de que haya más quarks. Pero nadie puede asegurar que los propios quarks reinen para siempre como las unidades finales indivisibles de la materia.

“Hasta el momento nadie ha señalado en esa dirección, de otra capa de constituyentes subyacentes a los quarks”, dice Gell-Mann. “Pero no puedes descartarlos por completo, desde luego. Sabemos que la teoría actual, el Modelo Estándar, es una aproximación de baja energía a algún tipo de teoría futura, ¿y quién sabe que sucederá con una teoría futura?”

La falta de pruebas para partes de los quarks no evita que la gente siga investigando esta posibilidad, no obstante. Un nuevo esquema, por ejemplo, describe que las partículas podrían combinarse para hacer no sólo quarks, sino también leptones — los electrones y sus parientes — y bosones, las partículas que portan fuerzas y que gobiernan las interacciones entre otras partículas.

En un reciente artículo que describe esta idea (arxiv.org/abs/0907.2538), Eckart Marsch del Instituto Max Planck para Investigación del Sistema Solar en Alemania llama a tales bloques básicos de propósito general “espinones”. Usando principios matemáticos de simetría similares a los subyacentes a los quarks, demuestra cómo los espinones y sus homólogos de antimateria podrían combinarse para crear partículas que recuerdan a los conocidos quarks, leptones y bosones.

Tres espinones, por ejemplo — dos de un tipo, y uno de otro — podrían crear partículas con una carga eléctrica de +2/3, como el quark up, o -1/3, como el quark down. Otras combinaciones de tres espinones reproducirían las propiedades de electrones y sus primos. Las uniones de dos espinones podrían producir bosones tales como las partículas W responsables de la transmisión de la fuerza nuclear débil. Una combinación de dos espinones incluso reproduce las propiedades esperadas para el hipotético bosón de Higgs, que es el tema de una intensa búsqueda en el último colisionador de átomos del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones en el laboratorio del CERN en las afueras de Ginbebra (SN: 7/19/08, p. 16).

Sugerencias pasadas sobre la composición de los quarks han fallado cuando se comprueban en experimentos, y nadie se sorprendería si la idea de los espinones también falla al dar un vuelco al consenso científico.

Barreras del lenguaje

Gell-Mann, mientras tanto, sigue en la investigación activa en el Instituto Santa Fe en Nuevo México, donde continúa con sus ideas a veces enfrentadas con la visión ortodoxa. Está particularmente interesado en lingüística, por ejemplo, y colabora con los investigadores de Santa Fe y Moscú estudiando lejanas (en el tiempo) relaciones entre los lenguajes humanos.

“En esa colaboración parece que estamos encontrando cada vez más pruebas… de que una gran parte de los lenguajes del mundo, aunque probablemente no todos, descienden de uno hablado bastante recientemente… hace unos 15 o 20 mil años”, dice Gell-Mann.

Los lenguajes seguramente se originaron mucho antes que eso, dice, pero la mayor parte de los lenguajes que tenemos en la actualidad pueden haber descendido de esta lengua madre de (casi) todas las lenguas, conocida de forma vacilante como Boreano (como en “el viento del norte”).

Por supuesto, muchos expertos se resisten a la idea.

“Por algunas razones, en este país y en Europa Occidental, la mayor parte de profesores de lingüistica histórica y comparativa odian la idea de relaciones distantes entre lenguajes humanos, o al menos la idea de que puedan demostrarse esas relaciones”, dice Gell-Mann. “Colocan una tremenda carga de la prueba sobre cualquiera que diga que los lenguajes están relacionados de esta forma, mediante este descendiente común”. Y de nuevo Gell-Mann se enfrenta a lo que el llama los “principios negativos de la ortodoxia”.

“Finalmente creo que todo el mundo se convencerá de que estas relaciones existen en realidad”, dice. “Mientras tanto, estamos librando una de esas batallas”. Y de la misma forma que no hay pruebas de los constituyentes de los quarks, no hay pruebas de que Gell-Mann deje de pelear en tales batallas dentro de poco.


Autor: Tom Siegfried
Fecha Original: 29 de agosto de 2009
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