2.2.- EL ZOO DE LA MATERIA
  
 
En el capítulo anterior vimos que la materia de la que estamos compuestos estaba formada por átomos, los cuales a su vez están formados por partículas fermiónicas llamadas electrones, protones y neutrones. Pero este no es el final de las muñecas rusas encajadas. Estas partículas están compuestas a su vez por otras partículas más pequeñas. Esos fermiones de los que están hechos los protones y los neutrones se llaman quarks. Recibieron este nombre del físico estadounidense Murray Gell-Mann, quien teorizó sobre su existencia en 1963. El nombre lo tomó de la obra "Finnegans Wake" (Finnegans despierta) del escritor irlandés James Joyce. En la novela puede leerse la frase "...three quarks for Muster Mark...". A Joyce le gustaban jugar con las palabras y quark era una palabra sin significado inventada por él. Gell-Mann adoptó ese nombre debido a que su modelo original postulaba la existencia de tres quarks (hoy sabemos que son seis). El modelo de quarks fue descubierto de forma independiente por el físico estadounidense George Zweig. Su propuesta original de llamar 'ases', como los dioses escandinavos o como las cartas de la baraja, no prendió como la de 'quarks'. Prácticamente todo el crédito fue para Gell-Mann, lo que demuestra que en ciencia el marketing también funciona. 

Los quarks sí son un 'fondo' de la materia. Son fermiones realmente elementales y no están compuestos por nada. De hecho, son puntuales, no tienen tamaño. Sabemos que existen tan sólo seis quarks. Los nombres con los que se los ha bautizado son bastante peculiares. Son: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima y sus abreviaturas son, respectivamente, u, d, s, c, b y t, de las iniciales de sus nombres en inglés. Sin embargo, estos nombres no hacen referencia a ninguna cualidad, son meras etiquetas. El motivo de sus nombres proviene del intento fallido de algunos físicos por hacer más accesible la física de partículas al público general.  

 
Tabla de clasificación de los quarks. Las diferencias en masa
han sido representadas con tamaños diferentes.

Tan sólo los quarks más ligeros, el quark arriba y el quark abajo, tienen importancia en nuestro mundo cotidiano. Son los quarks de los que están compuestos los protones y neutrones. El protón es una combinación de dos quarks arriba y uno abajo (usando sus abreviaturas, uud) y el neutrón, de dos quarks abajo y uno arriba (udd). Estos dos quarks son en realidad todo lo que se necesita para construir el mundo que nos rodea. El resto de quarks parece que "sobren". Además del protón y del neutrón, existen muchas otras partículas exóticas, de existencia muy breve, que están compuestas por otras combinaciones de quarks. Curiosamente, todas esas agrupaciones están siempre formadas por conjuntos de dos o de tres quarks. Las primeras reciben el nombre de mesones y las segundas de hadrones. No pueden existir agrupaciones con más o con menos quarks. 

¿Y qué pasa con el electrón? ¿De qué está compuesto? Resulta que de nada. El electrón no está formado de quarks, sino que es también una partícula elemental como los propios quarks, puntual y sin tamaño. Es otro de los 'fondos' de la materia. Pertenece a una segunda familia de fermiones, llamada leptones (del griego leptós, sutil, ligero, debido a su baja masa). Son muy parecidos a los quarks. La mayor diferencia que hay entre ellos es que los quarks no pueden existir en solitario, sino sólo en agrupaciones de quarks, mientras que los leptones sí existen por sí solos. Ello es debido a que los quarks sufren la interacción fuerte y los leptones no. Esta interacción, que es la más fuerte de las cuatro interacciones básicas de la naturaleza, es tan fuerte que los quarks no pueden separarse unos de otros y solo pueden existir formando agregados.  

Existe una fuerte analogía entre quarks y leptones; como los quarks, existen seis leptones y sólo seis. Además del electrón existen otros cinco leptones, que sin embargo apenas intervienen en el mundo que nos rodea. Dos de ellos, como el electrón, tienen carga eléctrica negativa: son el muón y el tauón. Son idénticos en todo al electrón; tan sólo se diferencian de él en que tienen mucha más masa (usualmente se les describe como "electrones gordos") y en que son inestable y acaban desintegrándose en electrones (como regla general, cuanta más masa posee una partícula, más inestable es).  

Tabla de clasificación de los leptones. Las diferencias en masa 
han sido representadas con tamaños diferentes.

Cada leptón cargado está a su vez emparentado con otro leptón sin carga que se llama neutrino. Así, tenemos el neutrino electrónico, que está emparentado con el electrón, el neutrino muónico, y el neutrino tauónico. El parentesco consiste en que cuando en una reacción se forma un leptón cargado, también se suele formar al mismo tiempo su neutrino correspondiente. Esto realza más la semejanza entre los quarks y los leptones. Tan sólo los dos primeros leptones, el electrón y el neutrino electrónico, tienen importancia real en el mundo. Los demás parece que están de más. 

Los neutrinos tienen una masa extremadamente pequeña, unos 2 millones de veces más pequeña que la del electrón. Se especulaba incluso que tuvieran masa nula, pero los recientes resultados (junio 2001) del detector de neutrinos SNO (Sudbury Neutrino Observatory) situado en Sudbury, Canadá, han demostrado que los neutrinos tienen una muy pequeña masa. El neutrino electrónico posee una masa del orden de 0.02 eV. La suma de las masas de los tres tipos de neutrinos es menor que 8.4 eV. 

Dado que los neutrinos tampoco tienen carga eléctrica, son muy difíciles de detectar. Las únicas fuerzas que les afectan son la interacción débil y la gravedad. Por ese motivo son capaces de atravesar kilómetros y kilómetros de materia sin interaccionar con ella. De hecho, nuestro planeta es atravesado cada segundo por billones de neutrinos y tan sólo una minúscula fracción de ellos, uno de cada cien millones, es detenido. Para conseguir detener a la mitad de ellos, necesitaríamos una pared de plomo con un grosor que fuera desde aquí hasta la estrella más cercana.  

En resumen, tenemos que los fermiones, las partículas de la materia, se dividen en dos familias, quarks y leptones, cada una compuesta de seis miembros. De esos seis, sólo los dos primeros forman parte activa de nuestro mundo cotidiano. 

 
Mapa VII de la Realidad
  
Todo este zoo de materia produce la horrible sensación de exceso teórico. Sin embargo, como vimos, el modelo de Weinberg-Salam de la interacción débil predijo correctamente la masa que debían tener los bosones W+, W- y Z0, antes incluso de que se detectara su existencia. De la misma forma, la existencia de los quarks más pesados, fondo y cima, fue predicha mucho antes de su detección. En 1977 se confirmó la existencia del quark fondo. El quark cima tuvo que esperar hasta hace muy poco para ser descubierto, en 1994, en el acelerador del Fermi National Accelerator Laboratory (más conocido por Fermilab), en Batavia, Estados Unidos.
 
  

Para saber más

 
  Aquí tienes una interesante página sobre James Joyce en la que podrás acceder al texto de "Finnegans Wake".    Haciendo clic en la imagen entrarás en la página personal de Murray Gell-Mann.    Si te has perdido, no te preocupes. Aquí encontrarás todo lo que quieras saber sobre la Aventura de las Partículas. 
  En este enlace lo tienes todo sobre los neutrinos, esas fascinantes partículas.    Pinchando aquí podrás entrar en la página principal del Sudbury Neutrino Observatory (SNO).