Descripción de la imagen: Los quarks y los gluones dentro de los protones están conectados por tubos de flujo magnético de color. Si un tubo se rompe, se forman nuevos tubos entre los quarks restantes. Actualmente, solo conocemos dos tipos de hadrones: los mesones, donde un quark está asociado con un antiquark que tiene el color opuesto, y los bariones, donde tres quarks de colores rojo, verde y azul se combinan para formar una partícula blanca (esta propiedad es el origen del término "color" para la carga de las interacciones fuertes, ya que recuerda la síntesis aditiva de los "colores verdaderos").
Los quarks, los leptones y los bosones son las partículas elementales que constituyen toda la materia que conocemos.
Estos constituyentes cuánticos están descritos por el Modelo Estándar de partículas elementales, validado por la confirmación experimental de los quarks (1995), el neutrino (2000) y el bosón de Higgs (2012).
Los constituyentes del protón y del neutrón son partículas compuestas, no elementales, y forman parte de un ensamblaje extraño de quarks y gluones. La unión que mantiene juntos a los quarks es la interacción nuclear fuerte, a veces llamada la fuerza de color.
Sin embargo, los protones y los neutrones no son las únicas partículas formadas por quarks. Un centenar de otras partículas muy efímeras (mesones) están hechas de quarks y gluones (pion, muón, kaón, eta, rho, phi, upsilon, lambda, etc.). Todos los mesones son inestables y tienen una vida muy corta entre 10^-8 y 10^-23 segundos. Pero la única partícula verdaderamente estable de esta variedad es el protón, que tiene una vida de aproximadamente 10^29 años. Aunque los neutrones unidos en un núcleo atómico son relativamente estables, cuando están libres se desintegran después de 880,3 segundos (≈ 15 minutos).
La teoría física que describe la interacción fuerte, explica la composición de los núcleos y permite calcular la masa de los quarks y los gluones se llama Cromodinámica Cuántica (QCD). La QCD fue propuesta en 1973 por H. David Politzer (1949-), Frank Wilczek (1951-) y David Gross (1941-).
Al medir la masa de un protón (2 quarks up + 1 quark down) y la masa de un neutrón (1 quark up + 2 quarks down), no encontramos la masa de sus constituyentes.
Masa del protón = 1.673 yg (1.673x10^-24 g).
Masa del neutrón = 1.675 yg.
Masa de un quark up = 0.004 yg.
Masa de un quark down = 0.009 yg.
¡La masa de los quarks representa solo alrededor del 0.02% de la masa de los nucleones!
¿Dónde está entonces la masa faltante?
La masa faltante es la energía cinética y la energía de interacción fuerte (E=mc^2) que agita y mantiene unidos a los quarks.
Debido a una propiedad llamada confinamiento, los quarks no pueden ser aislados. Están fuertemente unidos por el intercambio de partículas eléctricamente neutras que llevan una carga de color, llamadas gluones.
No se puede concebir un quark solo, ya que cuanto más intentamos separar los quarks, más la interacción nuclear fuerte mantiene el control, y el acoplamiento entre quarks aumenta con la distancia. En otras palabras, cuanto más cerca están unos de otros, menos interactúan. Por el contrario, cuanto más se separan los quarks, más la fuerza nuclear adquiere un comportamiento elástico, obligándolos a permanecer juntos.
Este fenómeno, llamado "confinamiento de quarks", está relacionado con la propiedad de libertad asintótica de las interacciones fuertes que actúan sobre las partículas con carga de color. Para los acoplamientos debidos a otras interacciones fundamentales (electromagnética, débil y gravitacional), ocurre lo contrario; disminuyen con la distancia.
La teoría nos dice que incluso cuando los quarks se disocian, la interacción fuerte obliga a los quarks a reunirse nuevamente para formar hadrones. Es decir, mesones formados por un quark y un antiquark o bariones formados por tres quarks como protones y neutrones.
Dentro de los hadrones, el fenómeno de aparición y desaparición de partículas ocurre a un ritmo frenético. Se asemeja a un mar de quarks y gluones en números variables, deformando constantemente el núcleo en una coexistencia de formas. Nuevas parejas de quark y antiquark se materializan en todo momento. Los quarks y los antiquarks aparecen constantemente en el nucleón en una danza frenética, sin poder salir del escenario.
Si, a raíz de una colisión energética, un quark sale del nucleón, crea inmediatamente un nuevo ensamblaje de quarks y gluones (según la relación E=mc^2) que puede dar lugar a un pion, un kaón, un rho... sin dejar nunca un quark solo.
Lo más extraño es que la partícula (pion, kaón, etc.) que se produjo por la colisión no ha roto el nucleón; los quarks permanecen confinados en el núcleo como antes de la colisión.
La fuerza de interacción nuclear fuerte aumenta con la separación de los quarks y disminuye cuando se acercan mucho, de ahí la representación de los resortes.
Si se tira muy fuerte del resorte, el gluón se desintegra y la energía que contiene se transforma en un par de quark-antiquark. Por el contrario, un par de quark-antiquark puede fusionarse y desaparecer, devolviendo energía al gluón. La imagen correcta de la estructura interna de un protón o de un neutrón no sería la de tres quarks distintos conectados por gluones, sino más bien la imagen de un mar difuso de quarks, antiquarks y gluones que aparecen y desaparecen, se unen y se desunen constantemente. Pero al final, siempre hay tres quarks más que antiquarks, 2 up + 1 down para un protón y 2 down + 1 up para un neutrón.
Es esta estructura misteriosa dentro de los núcleos la que permite a los átomos encontrar la mejor forma de ensamblarse.
N.B.: El confinamiento de color es una propiedad de las partículas elementales que tienen una carga de color: estas partículas no pueden ser aisladas y se observan únicamente con otras partículas de tal manera que la combinación formada sea blanca, es decir, que su carga de color total sea cero. Esta propiedad es el origen de la existencia de los hadrones. El fenómeno se describe en el marco de la Cromodinámica Cuántica.
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