Finalmente, la masa del protón

publicado en la revista «nexos»
# 374, febrero de 2009

 

Uno de los componentes del núcleo atómico es el protón, descubierto en 1919 por Rutherford. Otro es el neutrón, y ambos reciben en común el nombre de nucleones. La masa del protón se calculó en mil 836 veces la del electrón. Un número muy feo. Se puso peor cuando, en 1964, hubo elementos suficientes para plantear que el protón no es elemental, sino compuesto: hecho, como el neutrón, de tres quarks. Experimentos posteriores a 1970 plantearon la existencia de fuerzas que pegan entre sí los quarks. Se les llamó gluones (por glue, pegamento). Esta fuerza, misma que une nucleones dentro del átomo, es una de las cuatro conocidas en el universo y se le llama fuerza fuerte (en contraposición a otra, la fuerza débil, causante de la radioactividad); la gravitación y el electromagnetismo son las otras dos. Hace diez años tenemos constantes pruebas de una quinta fuerza en el universo: la energía oscura que acelera la separación de las galaxias, una suerte de antigravitación.

No quedó ahí todo: como siempre acostumbra, el principio de incertidumbre hizo irresoluble, por varias décadas, el problema de calcular la masa de los nucleones tomando en consideración sus componentes internos recién descubiertos.

Predice el principio de incertidumbre (o de indeterminación), propuesto por Heisenberg y columna de la física cuántica, una continua danza del ser al no ser y viceversa entre pares de quarks y su gemelo en la antimateria, el antiquark. Y otro tanto con los gluones. Por obra de la incertidumbre, miríadas de gluones y de pares quark-antiquark entran y salen de la existencia dentro de cada nucleón (protón o neutrón). Estas partículas virtuales interactúan entre sí en un frenético jalar y empujar que hizo casi imposible su análisis cuantitativo. "Todo interactúa con todo", dice Laurent Lellouch, del Centro Nacional Francés para la Investigación Científica, en Marsella, y uno de los doce físicos de Francia, Alemania y Hungría que realizaron los nuevos cálculos para precisar la masa del protón.

Para darnos una idea de la complejidad del problema, este ir y venir de partículas "virtuales", que logran entrar a la existencia sólo porque lo hacen por instantes tan breves que el principio de incertidumbre lo permite, y regresan a la nada, constituye el 95 por ciento de la masa en los nucleones. A ver... un poco más despacio sobre esta incertidumbre: este principio hace "borrosa" no sólo la posición de una partícula, sino su existencia misma en un punto particular del espacio, pues existe en cada lugar con una cierta probabilidad. Si acortamos el tiempo, si lo hacemos más y más breve, la probabilidad de que en el punto A exista un quark alfa aumenta conforme más pronto vuelva a la nada.

Más exactamente, lo que se crea, por acción del principio de incertidumbre, no es un quark, sino un par quark-antiquark, materia y antimateria que, como siempre que entran en contacto, se autodestruyen. Pero esa destrucción deja un rastro en la energía y su breve presencia contribuye a la masa. Y no con poco: entre todos esos pares virtuales, ya dijimos, integran el 95 por ciento de la masa del protón.

Si no entendió, no se preocupe: Einstein tampoco, y el asunto le molestaba tanto que de ahí vino su conocido rechazo a la cuántica con la expresión: "Dios no juega a los dados", que le gustó tanto que la repitió en cartas y notas varias veces. Bien, pues una teoría, desarrollada a partir de 1970, analiza ese ir y venir del ser al no ser al ritmo del principio de incertidumbre, se le conoce por sus iniciales en inglés: QCD, quantum chromodynamics. Lo "chromo" (color en griego) le viene de que los investigadores, faltos de términos, y luego de asignar nombres tan estrafalarios como quark up, quark strange, quark charm (encanto) y a esos nombres llamarlos "sabores", todavía debieron subdividirlos en imaginarios "colores": verde, azul y rojo, con antiquarks menos verde, menos azul, menos rojo.

Los investigadores emplearon la QCD y una idea que vaga por la cuántica hace décadas: que si la energía y la materia tienen unidades indivisibles (los quanta propuestos por Planck, Einstein y otros), también el tiempo venga en tic-tacs, si bien pequeñísimos, indivisibles, y conducidos por la constante de Planck; esto es, que el tiempo no transcurre de forma continua y constante, sino como segundero de reloj: en tics y tacs que no pueden ser más breves. Flota también la idea de que al espacio le ocurre lo mismo y hay un quantum indivisible de espacio.

Así es como el equipo de investigadores creó un modelo del espacio y del tiempo que es una rejilla de puntos y líneas. Luego confinaron los quarks a los puntos de la rejilla y los gluones a las líneas que unen los puntos: o vértices y arcos de una red si seguimos las denominaciones empleadas en la teoría que analiza todo conjunto de puntos unidos por rayas: la teoría de los grafos, cuyo campeón es Claude Berge.

La tarea a computar involucra millones de variables y exige supercomputadoras. Ya en este siglo, los investigadores trataron de incluir, además de los gluones, los fugaces pares de quark-antiquark. Así el modelo actual del protón no sólo alcanza mejoría en la estimación de la masa de los nucleones, sino también de otras nueve partículas formadas por quarks.

"Ha sido un gran triunfo. Es la primera vez que realmente tenemos tal certeza de que todo se está haciendo bien", comentó John Negele, del MIT en Cambridge. Tenemos, al fin, cálculos precisos de la ultracompleja "fuerza fuerte" que ejerce su acción a las breves distancias del protón y de los componentes del núcleo atómico.

El equipo ya se pregunta sobre un montón de cosas que ignoramos acerca del átomo, por ejemplo, dice Negele, los físicos todavía desconocen la distribución de las partículas virtuales dentro del protón o el origen del spin, característica a la que damos ese nombre, que se traduce como "giro", por no tener una mejor imagen; pero los nucleones ni giran ni son partículas y su spin es un rasgo, como la carga eléctrica.