Última actualización: 24 de febrero de 2026

En el corazón de la materia: los secretos del protón

Visualización artística de la estructura interna caótica de un protón, con sus quarks y gluones en interacción

El protón, esa partícula que creíamos entender

Desde su descubrimiento en 1919 por Ernest Rutherford (1871-1937), el protón nos parece familiar. Junto con el neutrón, forma el núcleo de los átomos, y por lo tanto el 99,9% de la materia visible. Sin embargo, más de un siglo después, esta partícula sigue desafiando la comprensión de los físicos. Su tamaño exacto, el origen de su masa, la estabilidad de su composición interna: tantos misterios que aún resisten. Desde entonces, generaciones de físicos han sondado esta partícula con instrumentos cada vez más potentes. A pesar de ello, el protón guarda celosamente varios de sus secretos fundamentales.

La respuesta está en dos palabras: cromodinámica cuántica (QCD).

El desafío mental del mundo cuántico

Si la física cuántica es tan contraintuitiva, es porque nuestro cerebro, moldeado por millones de años de evolución en un mundo de piedras y árboles, no está equipado para visualizar el mundo cuántico. Instintivamente buscamos una imagen: una pequeña bola dura, un núcleo compacto rodeado de electrones en órbita, como un sistema solar en miniatura. Esta imagen, popularizada por los libros de texto, es fundamentalmente errónea.

En el corazón de la materia, la realidad no existe. Una partícula del mundo cuántico (electrón, quark, etc.) es una entidad regida por probabilidades. Visualizar un átomo es, por lo tanto, "ver" un mapa de probabilidades, una nube difusa donde la densidad de la nube representa la probabilidad de encontrar la partícula. Para el protón, hay que imaginar una bola de energía vibrante, donde pares de partículas virtuales surgen y se aniquilan sin cesar, un caos ordenado por las leyes de la cromodinámica cuántica.

1er misterio: La masa del protón

El protón tiene una masa de aproximadamente \(938,3\) MeV/c². Sin embargo, si sumamos las masas de los tres quarks constitutivos, solo obtenemos unos pocos MeV, es decir, menos del 1% de la masa total. ¿De dónde viene el resto? La respuesta es una palabra: energía.

Según la famosa equivalencia de Albert Einstein (1879-1955), \(E = mc^2\), la masa no es más que una forma condensada de energía. Dentro del protón, los quarks están en movimiento perpetuo y los campos de gluones que los conectan interactúan constantemente, generando pares virtuales quark-antiquark todo el tiempo. Es este burbujeo cuántico, esta energía confinada en un volumen ínfimo, lo que constituye la mayor parte de la masa del protón. Por lo tanto, no es una propiedad intrínseca de los quarks que lo componen, sino de la energía pura atrapada por la fuerza nuclear fuerte. Pero el verdadero misterio no está ahí.

El misterio es que los gluones son partículas sin masa. ¿Cómo logra la interacción fuerte atrapar una energía tan colosal en un volumen tan ínfimo? Y sobre todo, ¿por qué los cálculos directos a partir de la QCD siguen siendo tan difíciles, hasta el punto de que los superordenadores aún tienen dificultades para reproducir el valor exacto de esta masa?

La masa del protón es la manifestación visible de una física oculta, la del vacío cuántico y la fuerza más poderosa del Universo. Comprender su origen es comprender cómo lo invisible se convierte en materia.

2do misterio: El enigma del espín del protón

El espín es una propiedad cuántica de las partículas, a menudo comparada (erróneamente) con una rotación sobre sí mismas. En la década de 1980, los experimentos de dispersión profundamente inelástica revelaron una anomalía. La suma de los espines de los quarks de valencia representaba solo una pequeña fracción del espín total del protón.

¿Dónde está el espín? La respuesta probablemente se encuentra en dos contribuciones: el espín de los gluones, que pueden contribuir a través de su propio momento angular, y el movimiento orbital de los quarks y los gluones dentro del protón.

Experimentos como los del RHIC intentan desentrañar estas contribuciones, pero el rompecabezas sigue sin resolverse.

3er misterio: El confinamiento de los quarks

Los quarks nunca se han observado en estado libre. Siempre están encarcelados dentro de los hadrones, unidos entre sí por gluones. Este fenómeno, llamado confinamiento, es una de las características más desconcertantes de la QCD.

Su mecanismo es contraintuitivo: cuanto más se intenta separar dos quarks, más aumenta la fuerza que los une, a diferencia de lo que se observa en el electromagnetismo. La energía almacenada en el tubo de campo de gluones crece linealmente con la distancia. Cuando esta energía supera el umbral de creación de un par quark-antiquark, la cuerda se rompe y da lugar a nuevos hadrones. Nunca aparece un quark libre: la naturaleza parece prohibir cualquier carga de color aislada.

Las simulaciones de QCD en red, cuyas bases fueron sentadas por Kenneth Wilson (1936-2013), permiten reproducir numéricamente el confinamiento con buena precisión. Pero una simulación no es una prueba. Comprender por qué la naturaleza confina los quarks sigue siendo una de las preguntas más profundas de toda la física teórica.

Tabla resumen de los misterios del protón

Los tres grandes misterios no resueltos del protón
Misterio	Observación	Lo que predice la teoría	Lo que sigue sin explicación
Origen de la masa	El protón pesa \(938,3\) MeV/c², unas 100 veces la masa acumulada de sus quarks	La QCD atribuye la masa a la energía cinética de los quarks y a los campos de gluones (\(E = mc^2\))	Ningún cálculo analítico riguroso a partir de primeros principios; solo las simulaciones de QCD en red se acercan al resultado
Origen del espín	El protón tiene un espín de \(\frac{1}{2}\) (en unidades de \(\hbar\))	Los tres quarks de valencia deberían ser la fuente principal	Los quarks contribuyen solo con ~30% del espín total; los gluones y los momentos orbitales llenan el resto de manera aún imprecisa
Confinamiento de los quarks	Nunca se ha observado un quark libre en la naturaleza	La QCD predice que la fuerza entre quarks aumenta con la distancia, haciendo imposible su separación	Ninguna demostración matemática formal del confinamiento

N.B.: Estos tres misterios están íntimamente ligados: el confinamiento condiciona la estructura interna del protón, que determina tanto la distribución de masa como la distribución del espín. El futuro EIC (Electron-Ion Collider), cuya puesta en servicio está prevista para alrededor de 2030-2035, está diseñado específicamente para proporcionar respuestas cuantitativas a estas preguntas abiertas.