Así que hay estas cosas llamadas quarks. (Lo sé, desearía que tuvieran un nombre mejor, pero no estoy a cargo de nombrar cosas en física). Los Quarks son pequeñas partículas diminutas (vamos a ver exactamente qué tan pequeñas en un momento) que son bloques de construcción fundamentales de importancia. Hasta donde podemos ver, los quarks en sí no están hechos de nada más pequeño. Eso puede cambiar en el futuro a medida que aprendamos más, pero es lo suficientemente bueno por ahora.
Hay seis tipos de quarks, cada uno con nombres diferentes pero igualmente extravagantes: arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encantador. Y a pesar de su nombre, el más extraño de los sextillizos es en realidad el quark top.
Vamos a cavar profundo.
Mundo al revés
De lejos, los quarks más comunes que encontrarás son los de arriba y abajo. Son los que se agrupan en trillizos para formar protones (dos arriba y abajo) y neutrones (dos abajo y arriba). Para formar la carga positiva familiar del protón y la carga neutra en el neutrón, los quarks necesitan cargas fraccionales. Lo sé, eso suena raro, pero eso es solo porque nosotros pensamiento que la carga de protones y electrones era fundamental. Resulta que estábamos equivocados. El quark up tiene un cargo de más dos tercios, mientras que el quark down está en menos un tercio.
Lo que es aún más confuso acerca de los quarks es que son sorprendentemente ligeros. El quark up es solo un 0.2 por ciento de la masa del protón, mientras que su compañero el quark down es solo alrededor del 0.5 por ciento de la masa del protón. Entonces, ¿cómo pueden estas partículas miserables sumar la masa de un protón fuerte?
La respuesta es la fuerza que une a los quarks: la fuerza nuclear fuerte. Esta unión entre los quarks es muy fuerte, derrotando fácilmente la repulsión eléctrica natural de los quarks con carga similar. Y dado que la energía es lo mismo que la masa (¡gracias, Einstein!), La masa del protón se debe realmente al pegamento, y no a los quarks en sí.
Viviendo en la cima
No todos los quarks son tan grandes. Pero en el mundo de la física de partículas, lo grande es una mala noticia. Ser masivo es como estar en la cima de una montaña alta y delgada. Claro, las vistas son geniales, pero cualquier indicio de brisa te llevará a una posición más estable. Y estable significa pequeño: si eres una partícula masiva que sufre una inestabilidad, rápidamente te transformas en una lluvia de tus primos más pequeños.
Eso significa que la vida es simplemente color de rosa para los quarks de arriba abajo. Son los más pequeños; así que, si bien no tienen excelentes vistas, no corren el riesgo de caerse de un precipicio existencial. Los siguientes quarks más grandes, extraños y encantadores, rara vez se encuentran en gran abundancia en la naturaleza. Son tan grandes que son difíciles de hacer en primer lugar, y tan pronto como son fabricados por algún proceso exótico, rápidamente se descomponen en otra cosa, dejando atrás nada más que un recuerdo.
Durante bastante tiempo, los físicos pensaron que solo había estos cuatro quarks: arriba, abajo, extraño y encantador. Pero a principios de la década de 1970, comenzaron a sospechar lo contrario al examinar algunas descomposiciones raras que involucran a los kaones (y de nuevo, no estoy a cargo de nombrar cosas. El kaon es un dúo de un quark extraño y un quark arriba o abajo) . Para explicar la extraña descomposición que produjo estos kaons, los teóricos tuvieron que adivinar la existencia de un nuevo par de quarks, que llamaron arriba y abajo. Estos nuevos quarks eran mucho, mucho más pesados que los otros cuatro (de lo contrario, ya los habríamos visto).
Una vez que el quark No. 5 (la parte inferior) se unió al club de partículas conocidas y medidas en 1977, la carrera comenzó a encontrar la sexta y última (la superior). Pero el problema era que nadie tenía idea de cuán grande era, lo que significa que no sabíamos qué tan forzados teníamos que hacer nuestros aceleradores de partículas antes de que pudiéramos explotar uno. Cada año, grupos de todo el mundo actualizan su equipo, y cada año se quedan cortos, empujando la masa de la partícula entonces hipotética siempre hacia arriba.
No fue sino hasta febrero de 1995 que los investigadores de Fermilab finalmente pudieron reclamar el descubrimiento de un quark top con una masa que inclina la balanza casi 200 veces más que un protón. Así es: mientras que los quarks arriba y abajo apenas hacen el trabajo de convertir un protón en protón, el quark superior puede golpear fácilmente átomos enteros con facilidad.
Entra en el Higgs
El quark superior es aproximadamente 100 billones de veces más pesado que el quark up. Eso es bueno. ¿Pero por qué? ¿Por qué los quarks tienen un rango tan inmenso en masas?
Aquí es donde entra el bosón de Higgs. El bosón de Higgs está asociado con un campo (el campo de Higgs, algo así como el campo electromagnético) que impregna todo el espacio-tiempo, como un pegamento invisible que llena el universo. Otras partículas fundamentales, como electrones y neutrinos y quarks, deben nadar a través de este campo para ir de un lugar a otro. El hecho mismo de que las partículas fundamentales no puedan ignorar el campo de Higgs es (a través de diversas y diversas matemáticas) la razón por la que tienen masa.
Ah, una pista, entonces. Si el Higgs está de alguna manera conectado con el concepto mismo de masa, y el quark top es de lejos el más pesado de los quarks, entonces el bosón de Higgs y el quark top deben estar mejor de amigos.
Y así, a lo largo de los años, el quark top se convirtió en una puerta de entrada para nuestra comprensión del Higgs, y se espera que con un mayor estudio del Higgs podamos obtener algunas perspectivas sobre la masa misteriosamente grande del quark top.
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.
