Visión artística de los quarks en los núcleos de átomos de silicio
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Un par de las preguntas que han atormentado a los científicos del siglo XX fueron las siguientes: "¿Qué es lo que determina el sentido del giro ("spin") de las partículas subatómicas? ¿Hay alguna preferencia en la dirección del mismo?".
A partir del descubrimiento de los quarks, se elaboraron teorías que especulaban acerca de que el spin de los quarks establecía el spin de las partículas de las que formaban parte.
Ahora, por primera vez, se han obtenido resultados experimentales. Un grupo denominado SMC (Spin Muon Collaboration, Colaboración del Spin de Muones) ha puesto a trabajar un equipo de 150 físicos al solo efecto de descubrir el sentido del giro de los quarks presentes en el interior de los protones y los neutrones y ver si se corresponde con el de las partículas que forman.
El spin es, después de todo, una cantidad, o sea, un valor mensurable que nos informa de la rotación de una partícula sobre su propio eje. Una partícula que gira hacia la izquierda tiene spin ascendente, mientras que si gira a la derecha se dice que es descendente. El secreto de todo el asunto estriba en que las cargas eléctricas aplicadas sobre la partícula producen una corriente (que, como toda corriente, tiene un sentido) y, en consecuencia, también un dipolo magnético. A causa de ello, las partículas con spin y carga eléctrica se comportan, al someterlas a un campo magnético, como la aguja de una brújula. En pocas palabras: se polarizan.
Los tres quarks que forman un protón. Dos de ellos son UP, es decir, "zurdos". En el neutrón están invertidos (dos DOWN y un UP)
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Los protones y los deuterones (partículas formadas por un protón y un neutrón, o sea, núcleos de deuterio), también se comportan como imanes dipolares muy débiles: por supuesto, esto se debe a que poseen spin. A través de técnicas basadas en microondas, superconductores y criogenia, la gente del SMC ha logrado con éxito polarizar enormes cantidades de estas partículas. El objeto del experimento era "espiar" a los quarks ocultos dentro de las partículas, para ver si el sentido del giro de cada quark cambiaba siguiendo el cambio del spin de la partícula de la que formaba parte.
Tomaron muones (partículas de masa intermedia entre el protón y el electrón, también llamados "mesones mu") y bombardearon con ellos blancos compuestos de protones y deuterones. Los muones se forman en los aceleradores de partículas en el momento de la aniquilación de partículas de corta vida, y siempre vienen asociados con un neutrino, nunca solos.
Gracias a una misteriosa propiedad de los neutrinos (todos son "zurdos", es decir con spin izquierdo; el neutrino "diestro" no parece existir), todos los muones tiene polaridad. Esta polarización juega un importante papel a la hora de hacerlos colisionar con quarks: las posibilidades de choque son enormes cuando el quark del blanco y el muón que se precipita hacia él tiene spines opuestos.
El SMC investigó si esta probabilidad de colisión cambiaba al invertir la polarización del blanco. Esta diferencia probabilística, denominada asimetría, indica que sí hay una dirección preferencial en el spin de los quarks, al menos en los que se alojan en protones y deuterones.
El "pequeño" laboratorio donde el SMC llevó a cabo la experiencia. El marco amarillo de primer plano es el blanco polarizado. Todo lo que está detrás son los detectores de muones. Los racks de la derecha contienen el equipamiento electrónico
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Después de chocar, los muones eran dirigidos a un campo magnético para determinar sus trayectorias. De la reconstrucción del camino que recorrieron, el SMC pudo determinar si el quark contra el que colisionó representaba una porción grande o pequeña de la masa y el impulso del protón del que forma parte. Los físicos llaman a este valor fracción x del quark.
Los resultados obtenidos demuestran que efectivamente existe una asimetría para el protón: los quarks con x alto están polarizados en la dirección del spin de su protón. Para los quarks de bajo x esta preferencia desaparece.
En el caso del deuterón, la asimetría es menor, porque el deuterón también tiene un neutrón, donde la polaridad de uno de los quarks que lo componen está invertida.
Tomados en su conjunto, los resultados del SMC para todos los valores posibles de x muestran que la polarización, si bien existe, es menos de la mitad de la que la teoría predijo hace más de 20 años. En otras palabras, las predicciones teóricas no se corresponden con la evidencia experimental. Hoy sabemos que el spin de los quarks tiene que ver con el de la partícula que forman, pero no al grado en que debiera influir. La evidencia es irrefutable: la teoría no explica los hechos.
¿Cómo salir de dudas? El SMC tiene que seguir investigando, y el próximo paso es intentar el mismo experimento pero con gluones en lugar de muones. El gluón es la partícula responsable de la fuerza nuclear fuerte. Si se descubre que los gluones están fuertemente polarizados, y que su grado de polarización compensa exactamente la polarización que falta en protones y deuterones, todo el asunto quedará explicado por la vía natural. Si no es así, el SMC y los teóricos deberán encontrar nuevas vías para explicar este misterio.
Sólo queda esperar y ver. Mientras tanto, los quarks, ignorantes de todos los problemas y quebraderos de cabeza que provocan, insisten en seguir "yirando" tranquilamente.
Más datos:
(Traducido, adaptado y ampliado por Marcelo Dos Santos (www.mcds.com.ar) de NIKHEF (Instituto Nacional de Física Nuclear y de Alta Energía de Amsterdam) y de diferentes sitios de Internet)
