Los quarks viven confinados. Esto no tiene nada que ver con pandemias ni emergencias sanitarias, por supuesto. Tiene que ver con la carga de color. Y las leyes que obligan a los quarks a sufrir este confinamiento no son frágiles y maleables como las leyes humanas, sino que son parte de las leyes de la naturaleza y como consecuencia inquebrantables. Al menos si no dispones de suficiente energía. Tal vez convendría retroceder un par de pasos y poner las cosas en contexto.
Los quarks son uno de los tipos de partículas que conocemos. Existen seis tipos diferentes y los dos más ligeros, conocidos como “up” y “down”, forman los protones y neutrones al combinarse de tres en tres. Los quarks tienen carga eléctrica, como podría tenerla un electrón, pero además tienen otro tipo de carga, la correspondiente a la interacción nuclear fuerte. Esta carga puede tomar tres valores diferentes y es muy diferente a la carga eléctrica. Las partículas con carga eléctrica pueden atraerse o repelerse mutuamente, según tengan carga distinta o igual, respectivamente. Para la carga fuerte de los quarks no ocurre así. La regla principal que deben seguir estos quarks es que deben agruparse con otras partículas para formar partículas compuestas que sean neutras para este tipo de carga. Es decir, deben intentar cancelar su carga con la de otras partículas. Por estas propiedades nos dimos cuenta de que no tendría sentido asignar un valor numérico. No hay un número que al sumarlo o restarlo de tres en tres nos dé cero.
Pero los colores sí tienen esta propiedad. Si superponemos haces de luz de los tres colores primarios, rojo, verde y azul, obtendremos luz blanca, luz “incolora”. Por esto se decidió que esa nueva carga que mostraban los quarks se llamaría carga de color. Por supuesto este color no tiene nada que ver con el color que apreciamos en nuestro día a día. El color macroscópico surge de la interacción de la luz con la materia y para definir la carga de color de los quarks no hemos hecho referencia a la luz (o a los fotones) en ningún momento.
No solo los quarks tienen este tipo de carga, también los gluones. Estas partículas no son capaces de formar materia en sí mismas, de formar átomos y demás, si no que se encargan de transmitir la interacción fuerte que rige el comportamiento de las partículas con carga de color. Es decir, cuando dos quarks interaccionan, lo hacen intercambiando gluones. Pero estas partículas tienen una propiedad peculiar. Los fotones son los mediadores de la interacción electromagnética, por lo que si dos electrones interaccionan lo harán intercambiando fotones. Y los fotones son neutros eléctricamente, no tienen carga. Por tanto el hecho de que los gluones actúen de mediadores teniendo ellos mismos carga de color hace que puedan interactuar consigo mismos e incluso son capaces de formar partículas compuestas, llamadas glueballs.
Con todo, quarks y gluones siempre tenderán a agruparse en partículas sin carga de color, partículas “blancas”. Los gluones formarán glueballs y los quarks podrán formar bariones, que son combinaciones de tres quarks como protones y neutrones, o mesones, que son combinaciones de quark y antiquark. Cuando se combinen de tres en tres, cada quark tendrá un valor para la carga de color diferente, que se sumarán y darán ese color “blanco”. En el caso de los mesones, el antiquark tendrá el anticolor del quark. Por tanto podremos tener una pareja quark-antiquark con colores azul-antiazul, por ejemplo.
A día de hoy aún no conocemos el origen teórico de este comportamiento. Sabemos que la interacción electromagnética tiene un comportamiento que es análogo en superficie pero mucho menos restrictivo. Al fin y al cabo los objetos macroscópicos tienden a ser eléctricamente neutros. Cuando no lo son, las cargas del ambiente se recolocan para favorecer esa neutralidad. La única manera de conseguir romper esa neutralidad es con una diferencia de potencial, con energía. A pesar de esta similitud, el confinamiento de color, como se conoce a esta propiedad, va más allá. La diferencia parece más cualitativa que cuantitativa.
En el caso de los quarks añadir energía no basta. Si tenemos un par quark-antiquark formando un mesón y le “inyectamos” energía con algún mecanismo físico, lo que conseguiremos en última instancia es crear un nuevo par, que se irá con su respectiva pareja del par original. Es decir, puedes imaginar estos mesones como si un muelle o una banda elástica uniera las dos partículas que lo componen. Si estiramos lo suficiente, aumentará la tensión del muelle hasta que se parta. En el caso “clásico” la energía que contenía el muelle se perderá en forma de sonido, calor o de velocidad de las partículas del par. En el caso “cuántico” esta energía que habíamos dado al sistema será capaz de crear nuevas partículas, según la famosa relación de Einstein que señala la equivalencia entre masa y energía.
Referencias:
- Halzen, Francis; Martin, Alan (1984). Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 9780471887416.
- Griffiths, David J. (2008). Introduction to Elementary Particles (Second, Revised ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2
