¿Qué es la Fuerza Nuclear Fuerte? Quarks, Gluones y Piones.

Los componentes de la materia más pequeños que conocemos son los quarks y los electrones. Son partículas subatómicas a las que denominamos, de forma genérica, fermiones.

Los electrones pertenecen al grupo de los leptones (un leptón es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color, existen seis leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muón, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos). Los electrones son eminentemente asociales, incapaces de permanecer cerca los unos de los otros ni tan siquiera un instante, tanto es así, que si uno de ellos se ve obligado a invadir el espacio en el que vibra otro electrón, obligará al inquilino de aquel lugar a saltar ipso facto, de forma irremisible, a otro lugar. 

Solo existe una situación en la que los huraños electrones se prestan a acercarse y colaborar, a “danzar en pareja” con sus parientes clones, este sorprendente hecho sucede "solo" cuando el medio en el que se encuentran está a bajísima temperatura (Pares de Cooper).

Los quarks también son fermiones, sin embargo estos sí son partículas sociables, que siempre están dispuestas a construir entidades cooperativas.

Vamos a centrarnos, en este post, en éstos últimos: los quarks, y en la teoría que describe la interacción que tiene lugar entre ellos mediante la Fuerza Nuclear Fuerte: la CROMODINÁMICA CUÁNTICA.

Según su masa, habría seis tipos de quarks:

Up, Down, Charm, Strange, Top y Bottom 

Los dos primeros forman parte de todos los átomos del Universo, los otros cuatro existían tras el Big Bang y ahora ya no pueden existir más que breves instantes. Pueden ser creados en los modernos aceleradores de partículas pero, como decimos, no consiguen "vivir" mucho tiempo, desaparecen inmediatamente porque son absolutamente inestables.

Los quarks, al igual que los electrones, tienen carga eléctrica. Los Up poseen carga positiva de magnitud dos tercios (2/3) y los Down carga negativa de magnitud menos un tercio (-1/3).

Además, los quarks gozan de otro tipo de carga, llamada carga de “color”. Así, pueden clasificarse también en quarks con carga roja, carga verde o  carga azul.

Por tanto, son en total 36 los tipos de quarks: los seis básicos, que pueden ser de tres colores cada uno de ellos (lo que hace un total de dieciocho) y los correspondientes dieciocho anti-quarks.

Los quarks up y los down (los más livianos), como decimos, son los únicos que pueden existir de forma estable sometidos a las leyes físicas universales, las mismas que, sin embargo, a los demás quarks, mucho más pesados, les obligan a sucumbir bajo su propio peso tras una efímera e imperceptible existencia.

Estos dos tipos de quarks estables se relacionan habitualmente formando parejas en estructuras conocidas como mesones.

O, lo hacen formando tríos, llamados entonces bariones.

Estos últimos, a su vez, pueden ser de dos tipos:
* protones (formados por dos quarks up y uno dawn), y
* neutrones (tríos compuestos por dos quarks down y uno up).

La atracción entre quarks es inconmensurable. Esa impresionante fuerza de atracción que los mantiene unidos es debida, precisamente, a la Fuerza Nuclear Fuerte, la cual se manifiesta mediante secuencias de paquetes de bosones, llamados gluones, que construyen fortísimos lazos energéticos indestructibles, que unen a los quarks como si de muelles se tratara, pues cuanto mayor sea la fuerza que intente separarlos más energía de atracción surgirá entre ellos.

No obstante, esa fuerza poderosísima, solo se hace efectiva si se les intenta separar. En condiciones normales, en el seno del hadrón que forman, los quarks gozan de absoluta movilidad en la corta distancia; es algo parecido a lo que sucedería si unimos dos bolas de tenis con una goma elástica de poca longitud, las bolas gozarán de libertad de movimientos, y podrán moverse de manera independiente la una respecto de la otra, mientras estén cerca. Pero si alguien pretende separarlas, tirando de ellas, entonces la impresionante fuerza del elástico que los une se hará patente, manifestándose con una energía directamente proporcional a la fuerza que pretende separarlos y, en esas circunstancias, los movimientos de cada bola repercutirán en su bola asociada por la tensión existente entre ellas.

"Los gluones son parejas de quark y antiquark (materia-antimateria) que surgen pareados del "mar de quarks" del que trasciende la existencia, materializándose mediante su interacción con el campo de Higgs, que reside en lo más profundo del tejido espacio-temporal del Universo. 

Los gluones surgen como pares, y como pares han de existir siempre, siendo, por tanto, indivisibles. Si se les intenta separar, una nube de gluones surgirá entre ellos, estirándose en forma de supercuerda elástica que, si llega a quebrarse, dará lugar a dos nuevos pares de quark-antiquark, surgidos de los dos trozos resultantes de la rotura de la cuerda.

Los gluones, por tanto, ya que también son quarks, tienen carga de color. En realidad, al ser parejas de quarks son “bi-colores”, es decir, son pequeños dipolos de color cuya carga es una mezcla de las tres cargas de color: rojo, verde, azul y forman parejas tales como: anti-rojo, anti-verde y anti-azul. Según esto, deberían ser entonces de nueve tipos: rojo-antiverde, rojo-antiazul, verde-antirrojo, verde-antiazul, azul-antirrojo, azul-antiverde, rojo-antirrojo, verde-antiverde y azul-antiazul, pero, por razones de simetría solo pueden darse ocho de esas uniones, pues las combinaciones tipo color-anticolor del mismo color no están permitidas, ya que darían un gluón neutro. Son ocho, por tanto, los gluones existentes.

Los gluones fluyen sin cesar hacia el interior de los hadrones, rodeando a los quarks desnudos, formando en torno a ellos una especie de envoltorios protectores que los aísla del exterior aglutinándolos en forma de mesones o bariones.
Al contrario de lo que sucede con la carga eléctrica; que obliga a las partículas de distinto signo a repelerse y atenúa, consecuentemente, el campo eléctrico. Con  la carga de color sucede exactamente al revés: los gluones se apilan alrededor de los quarks, generando una cascada de pequeños dipolos de color que se van posicionando en torno a él, alineando su propio campo de color en el mismo sentido que el campo de color del quark al que envuelven. Esto hace que la fuerza de color aumente progresivamente hasta hacerse infinita; sucede algo parecido a lo que observamos al magnetizar un trozo de hierro: que los dipolos, magnéticos en ese caso, se alinean todos en el mismo sentido, potenciando el campo magnético del imán.

Pero ninguna partícula es estable en un estado de alta energía, por eso, los quarks, para estabilizarse energéticamente, tienden a unirse a otros quarks, para cancelar sus cargas de color y hacerse estables. Aunque, como se sabe por el principio de incertidumbre de Heisemberg, las partículas de spin fraccionario no pueden compartir una misma localización; un mismo lugar exactamente, sino que han de colocarse las unas al lado de las otras manteniendo cierta distancia mínima entre ellas. Así se crean esas especie de nubes que son los hadrones, formadas por varios quarks con sus cohortes de gluones, que mantienen, de esta forma, neutralizada su fuerza de color.
La fuerza de color, por tanto, no trasciende al exterior de los hadrones (no así la carga residual de color, de la que hablaremos después).

La fuerza eléctrica de los quarks si se manifiesta entre hadrones. En el caso del barión que da lugar al protón (contiene dos quarks up y uno down) la carga eléctrica total es igual a uno positivo (2/3 + 2/3 – 1/3 = +1).

En el caso del neutrón (dos quarks dawn y uno up) la carga eléctrica total es neutra (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0) y no interfiere eléctricamente ni con el protón ni con el electrón.

En los primeros instantes del Universo, después del Big Bang, la única materia que existía eran las pequeñas vibraciones de energía hoy conocidas como supercuerdas, que conforman a los electrones, a los quarks y, por extensión, a todas las demás partículas subatomicas.
Poco después, cuando la Fuerza Nuclear Fuerte se manifestó por primera vez, e impulsados por ella, los quarks se asociaron en partículas más complejas, entre las que surgieron los neutrones y los protones.

Luego le llegó el turno a la fuerza electro-magnética y cada protón (con su carga positiva +1) atrajo hacia sí a un electrón (con carga negativa -1).
De esa forma nacieron los átomos de hidrógeno, los más simples de todos los átomos del cosmos, constituidos por un solo protón y un solo electrón.

A continuación se manifestó la fuerza de la Gravedad, y los átomos de hidrógeno, atraídos por ella, comenzaron a aproximarse. Cada vez más y más protones fueron presionados por la fuerza de la Gravedad y, aunque seguían repeliéndose debido a su misma carga eléctrica, llego un momento en el que se alcanzó tal empuje, tal presión por masificación, que algunos de ellos vencieron la intensa repulsión y se vieron obligados a fusionarse dando lugar a átomos dobles: los primeros átomos de Helio, constituidos por dos protones y dos electrones.

Fue en ese momento cuando la materia acusó también la otra vertiente de la Fuerza Nuclear Fuerte: la Fuerza Residual de Color, que consigue trascender al exterior y actúa entre nucleones en forma de mesones pi, también llamados piones.
Estos piones, que aparecen continua e inopinadamente en el interior de los núcleos atómicos, bombardean a los nucleones convirtiendo a los protones en neutrones, y viceversa, incesantemente (Es esta una de las causas posibles por las que suceden dichas transforamciones).

Y la consecuencia de dicho bombardeo es que un protón, que en condiciones normales debería de salir disparado del núcleo repelido por la carga del protón vecino, al ser golpeado por uno de estos piones, se convierte inmediatamente en neutrón.  Sucede entonces que el impulso repulsivo que previamente le obligaba a salir del núcleo se anula completamente, por ser ese protón ahora un neutrón. Cuando, acto seguido, vuelve a convertirse de nuevo en protón, tampoco es expulsado del núcleo por la respulsión del protón que está pegado a él, pues, en ese mismo instante ese otro protón se habrá convertido en neutrón y, consecuentemente, entre ambos seguirá sin haber repulsión.

Hay que reseñar que en el interior de los núcleos atómicos todos los neutrones se transforman continuamente en protones, pero solo algunos protones se transforman en neutrones. Esto explica que los neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estables que los neutrones aislados.

La relación entre el número de protones y neutrones es, por tanto, clave para la estabilidad del núcleo. Para los átomos de núcleos ligeros, el número de neutrones es aproximadamente igual al de protones, es decir la relación entre protones y neutrones es igual a 1, por esto son estables.

Sin embargo, para conseguir esa estabilidad en los núcleos de átomos más pesados son necesarios más neutrones. Así, la relación entre neutrones y protones en esos átomos más masivos puede llegar a ser de hasta 1.56, desviándose del valor 1, en el que el núcleo es mucho más estable.

En resumidas cuentas, mediante estas contínuas transformaciones de protón en neutrón, y viceversa, debidas a los impactos de los piones, los nucleones consiguen burlar la fuerza electromagnética, la misma fuerza que, de no existir ese proceso, les haría salir disparados del núcleo repelidos por sus cargas eléctricas positivas.

Los piones, como los gluones, están hechos de pares quarks-antiquarks y se desintegran con gran rapidez. No obstante protones y neutrones no dejan en ningún momento de intercambiar nuevos piones que surgen de la nada sin cesar.

Desde luego, sin los piones los núcleos atómicos se desharían y sería imposible la existencia de los elementos químicos. 

"La pequeña fracción de tiempo infinitesimal que viven los piones es crucial para crear la realidad que percibimos."

"A pesar de que su imperceptible tiempo de vida y la pequeñísima distancia que recorren dentro de los núcleos atómicos sean tan insignificantes que nunca podamos percibirlos directamente."

Es preciso comentar que, durante estas transformaciones, que suceden reiteradamente y sin cesar en el seno de los núcleos atómicos, y como consecuencia de las mismas, surgen otras partículas que salen disparadas de los átomos a casi la velocidad de la luz, son los neutrinos; partículas sin apenas masa que fluyen por todo el firmamento sin casi interactuar con la materia.

¡Cada vez que un nucleón es golpeado por un pión, hecho que sucede continuamente en el cosmos, sale disparado un neutrino del núcleo atómico!.

Imaginad entonces, conociendo que el universo está lleno de nucleones, y que cada uno de ellos es golpeado continuamente por un pión, la cantidad de neutrinos que surcan el espacio interestelar atravesándolo todo, incluidos a nosotros mismos, a cada instante. 

Los neutrinos son infinitos en número y están diseminados por todo el universo, aunque jamás notemos su presencia.

Escrito por Dimas Luis Berzosa Guillén