Carroll. Hay en este minúsculo objeto miles de sorpresas y complejidades que ni se soñaron hace cien años. Su comportamiento es, en muchos aspectos, radicalmente diferente al esperado si uno se guía por lo que ha percibido con los sentidos. Aunque las leyes naturales que imperan son las mismas, no es tan extraño que sus manifestaciones no lo sean, por la inmensidad que nos separa. Por ejemplo, yo peso cerca de cien quintillones de veces más que un electrón (un uno seguido de 32 ceros), y mido más de mil billones de diámetros nucleares. Son diferencias enormes, caracterizadas por números inmensos. Los objetos que vemos y tocamos involucran, sin excepción, la participación de millones de millones de millones de electrones y núcleos. Así como la muchedumbre a la salida de un estadio de fútbol hace cosas que uno no esperaría de los individuos aislados, por fanáticos del deporte que sean, las multitudes de partículas que forman los objetos de nuestro tamaño se nos muestran de diferente manera que cuando se encuentran solas. El cotidiano nuestro, y el microscópico, son en este sentido dos mundos enteramente diferentes.
¿De qué están hechos los átomos? ¿Cuáles son las unidades básicas que los componen, como los ladrillos en una construcción, y cómo se unen para formar cosas más grandes? Veamos. Ya mencioné a electrones y núcleos. Al electrón lo conocemos desde hace poco más de un siglo, y después de estudiarlo muchísimo estamos convencidos de que es una partícula indivisible. El núcleo en cambio está formado de protones y neutrones, y éstos a su vez lo están de quarks, que hasta donde sabemos son indivisibles. A partir de quarks y electrones podemos entonces armar los átomos y las cosas materiales que vemos. ¿Y cómo se pegan? La “goma” que mantiene unido al núcleo está formada por misteriosos objetos que llamaremos “gomones” (en inglés se les llama “gluons”), y quienes unen núcleos y electrones son los más familiares “fotones”.
Quarks, gomones, fotones. Son algunas de las palabras extrañas que forman el vocabulario que asociamos a los objetos más pequeños que existen. La primera fue introducida por Murray Gell-Mann, Premio Nobel 1969. Hacia 1963 había una sensación de desaliento por la existencia de centenares de partículas cuyo número crecía día a día, aparentemente elementales, pero que se sospechaban divisibles, aunque sin saber cómo lo serían. Gell-Mann propuso ese año que protones, neutrones y una cantidad de partículas similares (los hadrones), estaban compuestos por dos o tres constituyentes hasta entonces desconocidos, que llamó “quarks”. El nombre fue inspirado por la frase “Three quarks for Muster Mark”, que aparece en la última obra del famoso escritor James Joyce, Finnegans Wake. Sin embargo la enigmática palabra “quark” no aparece en el diccionario inglés, no se sabe qué significa originalmente ¡ni hay acuerdo sobre cómo se pronuncia! (Gell-Mann dice que Joyce la usó para evocar el sonido que emiten las gaviotas). En alemán quiere decir “cuajada”, pero este significado parece ser accidental. Qué exactamente inspiró el nombre, no lo sabemos. Se dice que Gell-Mann buscaba una palabra que sonara como “fork” (tenedor, en español), pero esto no es seguro. Quizás fue la dificultad de denominar lo misterioso, aquello cuyas propiedades se ignoran. Algo similar ocurre, por lo demás, con los apodos que nos dieron nuestros padres al nacer. Estas inocentes criaturas a las cuales echamos la culpa de todo debieron escoger nuestros nombres antes de conocernos el carácter. Por eso resultan Verónicas que tienen aspecto de Magdalenas, o Rodrigos que se comportan como Pablos.
Hasta donde sabemos, hay seis tipos de quarks. Se diferencian en el “sabor”, y son: el apón, el daunón, el extrañón, el charmón, el botón y el topón. Estos rarísimos nombres son mi traducción libre de los apodos técnicos: up, down, strange, charmed, bottom y top, respectivamente. Aunque en inglés significan cosas, estos términos son tan arbitrarios como mis adaptaciones españolas, y unas y otras dicen igualmente poco acerca de las propiedades de las partículas que designan. (Hay textos en español que los llaman: arriba, abajo, extraño, encantado, inferior o fondo, y superior o cima.) Algunos de los nombres tienen un origen histórico. Por ejemplo el top y el bottom ocupan los lugares superior e inferior en una tabla que los ordena. Y sólo por eso, su nombre. Pero, también se los ha llamado beauty (belleza) y truth (verdad), prueba de la arbitrariedad que caracteriza esta nomenclatura.
Además de sabor, los quarks tienen color: rojo, azul o verde. Mezclando estos tres colores se puede obtener una amplia gama del continuo del arco iris. Son de hecho usados como colores primarios en las pantallas de televisión, como se puede comprobar con el televisor encendido, poniendo una pequeña gota de agua en la pantalla, que actúa como lupa, ampliando los pequeños granitos de color que contiene. Aunque sería ridículo pretender que cosas tan pequeñas como los quarks sean coloreadas, los colores que se les han asignado tienen un dejo de significado nominal. Estas partículas no pueden combinarse de cualquier manera. Una de las reglas que hay que seguir para armar cosas grandes está expresada en este lenguaje de colores. Se trata que al mezclarlos resulte un objeto blanco o sin color. Por ejemplo, el protón está hecho de tres quarks: uno rojo, uno verde, uno azul, cuya combinación produce el blanco. (Se comprueba girando rápidamente un objeto que contenga los tres colores).
Partículas “light”
Los quarks forman una primera familia de ladrillos básicos de la materia. Una segunda familia son los leptones, cuyo nombre viene de “leptos”, palabra griega que significa liviano. El leptón más conocido es el electrón, unas setecientas veces más liviano que el más ligero de los quarks. Fue la primera partícula elemental en ser descubierta en el laboratorio. Su hallazgo se asocia al año 1897 y el trabajo de Joseph John Thomson, sucesor de Lord Rayleigh en Cambridge y Premio Nobel 1906 por sus trabajos sobre conducción eléctrica en gases. Es el grano de electricidad que circula por alambres y televisores. Su nombre viene de “ηλεκτρον”, palabra griega que significa ámbar, una resina que al ser frotada se electrifica. A este primogénito, se suman cinco hermanos: el muón, el tauón, y tres neutrinos, el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico. Los nombres de los dos primeros se derivan de las letras griegas mu (µ) y tau (τ), mientras el del neutrino recuerda su neutralidad eléctrica.
La historia del neutrino merece destacarse. Supongamos que uno patea medio a medio una pelota de fútbol, la cual, en vez de salir hacia adelante, sale hacia un costado. Lo volvemos a hacer, y sucede lo mismo. ¿Qué pensarían? ¿Gato encerrado? ¡Neutrino encerrado! propuso Wolfgang Pauli en 1930, no para el ejemplo de la pelota, sino en relación a algunos disparos que suelen hacer los núcleos atómicos, y que se llaman “decaimiento beta”. Por ejemplo, de un átomo de carbono puede salir repentinamente un electrón, quedando detrás un átomo de nitrógeno. El proceso en sí es sorprendente, como si de la pelota de fútbol de pronto saliera un canario volando. Bueno, podría pensar uno, quizás alguien puso el canario adentro, la pelota reventó y el pájaro quedó libre. Son trucos típicos de los magos. Pero, ¿y si, aunque hubiese cambiado levemente de forma, la pelota no mostrara señales de haber reventado?
En el decaimiento beta uno espera ciertas cosas que no se cumplen; hay ciertas leyes de conservación, como la conservación de la energía, que parecen violadas. Son leyes muy antiguas, muy queridas, que no se abandonan así no más. Para salvarlas, Pauli dijo que debía existir una partícula nueva, sin carga eléctrica ni masa, que salía junto con el electrón como un fantasma invisible. Enrico Fermi aprovechó la aparente inocuidad del objeto para acuñar un italianismo: “neutrino”, el diminutivo de neutro (en español quizás sería neutrito). En una carta de 1934, George Gamow le dice a Niels Bohr, que “no me gusta nada esta cosita sin carga ni masa”. La audaz proposición de Pauli fue confirmada un cuarto de siglo más tarde, y en los años siguientes nos sorprendimos al descubrir que no había una, sino tres especies, asociadas a los otros leptones: el electrón, el muón y el tauón. Un poema de John Updike que he tenido la osadía de traducir del inglés, dice sobre esta partícula:
El neutrino es tan pequeño,
no tiene carga, no tiene masa,
de la materia hace tabla rasa.
La Tierra es sólo una torpe esfera
para
