El átomo. Quarks vs Partones.

Richard Feynman fue un insigne físico estadounidense que recibió el Nobel de física por sus trabajos en electrodinámica cuántica, en los que desarrolló un método para estudiar las interacciones y propiedades de las partículas subatómicas utilizando los llamados diagramas de Feynman.  Él postuló, a mediados de la década de 1960, que debían existir ciertas subestructuras en el interior de protones y neutrones a los que llamo partones.

Ejemplo de diagrama de Feynman

Por otra parte, en 1960, Murray Gell-mann, un físico del Caltech y Yuval Ne’eman, físico del Imperial College de Londres, desarrollaron, independientemente, una clasificación que fue considerada el primer intento con éxito de evidenciar la conexión básica existente entre partículas de diferentes familias. Ambos verificaron que muchas de las partículas conocidas podían ser agrupadas en familias de ocho partículas con características análogas. Esa manera de clasificar partículas fue llamada de clasificación octal. En cierta forma ellos hicieron con las partículas elementales lo que Mendeléyev había hecho casi un siglo antes con los elementos químicos, cuando creó su tabla periódica.

Ne`emann y Gell-mann, en 1962, predijeron teóricamente, cada uno por su lado, la existencia de una nueva partícula, que fue llamada omega menos. 

Poco después, la observación experimental de esta nueva partícula vino a confirmar el modelo teórico que ambos habían propuesto, basado en una estructura matemática definida, a la que Gell-mann llamó la clasificación del NOBLE CAMINO ÓCTUPLE, nombre extraído del budismo.

Con el objetivo de refinar la clasificación octal, o los patrones del camino óctuple, incorporando no solo octetos, sino múltiplos de un modo general,  Gell-mann y otro físico norteamericano nacido en Rusia en el seno de una familia judía, llamado George Zweig, que había sido alumno de Feynman, concluyeron, independientemente también en este caso y cada uno por su lado, que tales patrones resultarían factibles si algunas partículas fundamentales del átomo estuviesen formadas por partículas aún más fundamentales, a las que Gell-mann llamó quarks, con un audaz toque literario, tomando el nombre del libro Finnegans Wake, de James Joyce: "Three quarks for Muster Mark". Mientras que Zweig, postulando que existían cuatro tipos de estas partículas, les llamó “ases”, haciendo referencia a los cuatro ases de la baraja de cartas.

Hoy se acepta que los quarks, así como los electrones, son las partículas verdaderamente elementales de la materia, una especie de ladrillos básicos para la construcción de toda la materia, pero en 1964, cuando los quarks eran aún entidades hipotéticas propuestas por Gell-mann y Zweig, la conjetura era osada y poca gente la tomó en serio. Según parece, el propio Gell-Mann no confiaba mucho, tanto es así que ni siquiera intentó publicar el artículo que proponía esa partícula elemental hipotética en la revista más reconocida del área científica, sino que lo publicó en otra revista que tal vez no fuese demasiado exigente.

En 1969 se otorgó el Premio Nobel de Física a Murray Gell-Mann por “sus contribuciones y descubrimientos sobre la clasificación de las partículas elementales y sus interacciones", dejando fuera al hebreo Ne`eman, que no lo recibió por no ser miembro de la comunidad científica, ya que aunque se había licenciado en ingeniería mecánica primero y más tarde se doctoró en física en el Imperial Colleg de Londres, él en realidad era militar y político.

Más tarde, entre 1967 y 1973 se llevaron a cabo una serie de experimentos en el Acelerador Lineal de Stanford con objeto de demostrar que protones y neutrones no eran sólidos. Para ello lanzaron electrones a muy alta velocidad contra núcleos de hidrógeno.

Como los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva, al disparar electrones contra los protones, aquellos no son repelidos sino muy al contrario son atraídos hacia los protones, así se puede comprobar que si los protones fuesen macizos los electrones rebotarían y se desviarán siguiendo un cierto patrón que reflejará la forma externa del protón que está siendo bombardeado. Si, por el contrario, el protón está hueco y existen dentro de él partículas más pequeñas, el electrón las golpeará y rebotará creando otro patrón muy diferente al primero. Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Rutherford años atrás para confirmar la existencia del núcleo atómico.

El Acelerador de partículas de Stanford es un acelerador lineal de tres mil doscientos metros de longitud que es capaz de acelerar cualquier partícula subatómica que tenga carga eléctrica a través de una secuencia de campos eléctricos alternos,  hasta que dichas partículas alcancen energías próximas a 50 Giga electrón voltios, en el caso de los electrones energía más que suficiente para que estos consiguiesen atravesar a los protones en el caso de que estuviesen huecos.

Y, efectivamente, en dichos experimentos se comprobó que los electrones con los que se bombardeaban a las partículas positivas desviaban sus trayectorias al atravesar a los protones debido a colisiones internas con los que por entonces aún se conocían como partones.  

Por aquel descubrimiento, a Taylor, Kendall y Friedmann, los científicos que llevaron a cabo dichos experimentos, les fue otorgado el premio Nobel de Física de 1990.

Aquellas investigaciones resultaron esenciales para la elaboración empírica de la demostración de la existencia de los quarks en la física de partículas.

Más adelante, otros experimentos de colisiones en el acelerador de Stanford confirmaron que los partones de Feynman y los quarks de Gell-mann y Zweig eran exactamente la misma cosa.