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.
Entrelazamiento Cuántico: ¡Cuando Dos Partículas se Convierten en Una!
El Pentaquark: ¡una nueva pieza del rompecabezas cósmico!
¿Por qué
son raros los Gases Raros?
El Movimiento Browniano: un Vínculo entre Dos Mundos
Los 4 artículos de Albert Einstein del año 1905 
¿Por qué la fusión nuclear requiere tanta energía? 
Diagramas de Feynman y física de partículas 
Las estrellas no pueden crear elementos más pesados que el hierro debido a la barrera de inestabilidad nuclear 
¿Qué es la radiactividad β? 
Teoría
del muro de Planck 
¿Está realmente vacío el vacío? 
El gran colisionador de hadrones 
El hadrón no es un objeto fijo 
Radiactividad, natural y artificial 
La escala de las nanopartículas 
El gato de
Schrödinger 
Antes
del big bang el multiverso 
Inflación
eterna 
Las
ondas gravitacionales 
¿Qué es una onda? 
Los campos de la realidad: ¿qué es un campo? 
Espacio
en el tiempo 
Calculadora o computadora cuántica 
Condensado de Bose-Einstein 
Ecuación de las tres leyes de Newton 
Concepto
de campo en física 
El electrón, una especie de punto eléctrico 
Entropía y desorden
Luz, toda la luz del espectro 
El viaje
infernal del fotón 
Misterio del Big Bang, el problema del horizonte 
El neutrino y la radiactividad beta 
El espacio-tiempo
de Einstein 
Medición del Tiempo: Desafío Científico y Tecnológico 
Constantes Físicas y Cosmológicas: Números Universales en el Origen de Todo 
Espectroscopia, una fuente inagotable de informaciones 
Abundancia de elementos químicos en el universo 
El tamaño de
los átomos 
El
orden magnético y la magnetización 
El confinamiento
de los quarks 
Superposiciones de estados cuánticos 
Radioactividad
alfa (α) 
Ecuación de inducción electromagnética 
Fusión nuclear, fuente de energía natural 
¿Existe
la materia oscura? 
Materia no bariónica
Del Átomo Antiguo al Átomo Moderno: Una Exploración de los Modelos Atómicos 
El misterio de la materia, de dónde viene la masa 
Energía
nuclear y uranio 
El universo
de los rayos X 
¿Cuántos fotones para calentar un café? 
Ver los Átomos: Una Exploración de la Estructura Atómica 
Efecto túnel de la mecánica cuántica 
Entropía: ¿Qué es el Tiempo? 
Las 12 Partículas de la Materia: Comprender el Universo a Escala Subatómica 
El orbital atómico: imagen del átomo 
La
radiactividad de la Tierra 
El vacío tiene una energía considerable 
Antimateria y antipartícula 
¿Qué es una
carga eléctrica? 
¡Nuestra
materia no es cuántica! 
¿Por qué utilizar hidrógeno en la pila de combustible? 
Los secretos de
la gravedad 
E=mc2
explica la masa del protón 
Imagen de la gravedad desde Albert Einstein 
El año milagroso de Einstein: 1905 
¿Qué significa realmente la ecuación E=mc2? 
Relatividad especial y espacio y tiempo 
Entre Ondas y Partículas: El Misterio de la Dualidad