Hoy he leído en el feed de CienciaKanija una interesante entrevista a Murray Gell-mann, uno de los padres del modelo quark que me ha recordado este tema porque precisamente estaba buscando uno de sus artículos “The eightfold way: The Eightfold Way – A Theory of Strong Interaction Symmetry (CalTech, 1961)” y he decidido redactar un post sobre la validación del modelo quark. Sirva como precedente para entender esta historia lo que conté en un vistazo a la cromodinámica cuántica.

Introducción

Lo que voy a contar en esta parte lo podéis encontrar en más detalle en el artículo sobre el modelo quark de la Wiki en inglés. Aunque si conseguís una copia de los papers de Gell-Mann también os servirá.

El modelo quark fue propuesto de forma independiente por Gell-Mann y Zweig en 1964. Gell-Mann unos años antes había propuesto en un artículo la llamada “vía del octeto” para clasificar a las partículas. Se trataba de una simetría basada en utilizar el grupo SU(3) (que tiene dimensión 8).

Por ejemplo, en esta imagen salen los mesones K o kaones. Las partículas en la misma horizontal tienen la misma “extrañeza” (número cuántico “s”) y las que comparten la misma diagonal tienen la misma carga eléctrica.

Los principios de la “vía del octeto” se aplicaban también a bariones de espín formando un decuplete en lugar de un octete. En aquellos años, una de las partículas del decuplete no había sido observado. Gell-Mann la bautizó como y predijo sus propiedades: extrañeza -3, carga -1 y una masa del orden de . Esta partícula fue descubierta en 1964 en Brookhaven dando un fuerte espaldarazo ala vía del octete y el premio Nóbel en 1969 a Gell-Mann por sus trabajos.

Pero volvamos a los orígenes del modelo quark. Gell-Mann y Zweig postularon que muchas de las partículas descubiertas no eran realmente fundamentales sino que se componían de combinaciones de quarks y antiquarks. Al principio, propusieron tres sabores de quarks: arriba, abajo y extraño, con propiedades concretas de carga eléctrica y espín.

Pese a la inicial prudencia de la comunidad científica sobre el descubrimiento, se fueron proponiendo extensiones al modelo quark en los años siguientes. Sheldon Lee Glashow y James Bjorken predijeron la existencia de un cuarto sabor: el encanto. Este añadido venía a suplir algunas carencias que tenía el modelo quark de entonces.

En el año 1968 experimentos de dispersión inelástica profunda en el acelerador SLAC mostraron la estructura interna del protón. El protón estaba compuesto de tres pequeñas partículas puntuales y, por tanto, no era una partícula elemental. Sin embargo, los físicos eran reticentes a llamarles “quarks” y fueron llamadas “partones”, término acuñado por Richard Feynmann.

No fue hasta un poco más tarde cuando se identificaron como dos quarks up y un quark down. Además, las observaciones del SLAC concluyeron la existencia del quark “extraño” que además se ser un elemento constitutivo del modelo quark explicaba los kaones y mesones pi observados en los rayos cósmicos desde los años 40.

Sin embargo, esto no fue suficiente para adoptar el modelo. Dos quarks más se unirían al modelo cuando en los años 70 se presentaron razones para la existencia del quark “encanto”.

Y poco después, dos japoneses Kobayashi y Maskawa demostraron que la violación de la simetría carga-paridad podría ser explicada si existían al menos dos quarks desconocidos más.

En noviembre de 1974 se produjeron quarks encanto simultáneamente por dos equipos uno en el SLAC y otro en el Brookhaven National Laboratory. Los quarks encanto fueron vistos acompañados de antiquarks encanto en mesones. Ambos equipos asignaron una letra diferente a esta partícula: J y   y finalmente se decidió llamarlo el mesón . Este fue el descubrimiento que dió el espaldarazo definitivo al modelo quark y lo llevó a ser aceptado por la comunidad científica.

La física tras el descubrimiento del mesón J/Psi
Cuando un haz de electrones se hace colisionar con otro de positrones en un acelerador, pueden ocurrir varias cosas:que el electrón y el positrón se alejen uno de otro, o que se aniquilen y su energía sea emitida, y si es lo bastante alta, se materialice en nuevas partículas. Por ejemplo, un muón y un antimuón pueden ser creados o inluso hadrones, como los mesones .

Para conocer la probabilidad de que ocurra, debemos imaginarnos las partículas como si estuvieran rodeados de una región en la cual, dentro de ella sabemos que va a producirse la interacción y que fuera de ella no ocurrirá. Aunque realmente no es tan dramático el cambio y realmente se trata de densidad de probabilidad, digamos que dentro de esa zona es casi seguro que ocurrirá y que fuera es muy difícil o imposible. El área de esta región se conoce como sección eficaz y es una de las propiedades más importantes en el estudio de las colisiones, puesto que está relacionada con las propiedades elementales de las partículas.

En esta imagen de una conferencia de Burton Richter sobre estos eperimentos, vemos la sección eficaz en colisiones electrón-positrón para las distintas probabilidades antes mencionadas.

La energía, en el eje horizontal, se mide en GeV, lo cual es mucha energía para los electrones, cuya masa en reposo es de 0.00051 GeV. El área de la sección eficaz está medida en nanobarn (. Además, se muestra la sección eficaz en escala logarítmica para facilitar la muestra de grandes cambios.

Existe una especie de montaña, llamada resonancia, a unos 3.095 GeV en el gráfico. La resonancia es visible en los tres gráficos, pero es más prominente en la producción de hadrones, que muestra un crecimiento en un factor de 100 a medida que aumenta la energía. Obviamente, algo especial ocurre a esta energía: la montaña, que de pronto crece en mitad del gráfico, muestra la creación de una partícula nueva.

El grupo de Burton Richter en el SLAC, que obtuvo los datos mostrados en la figura, lo llamó la partícula . Y más o menos a la vez, el equipo liderado por samuel Ting en el Brookhaven National Laboratory encontró los mismos datos, y ellos la llamaron partícula .

Hoy se llama mesón . Tiene una masa de 3.097GeV y está hecho de un quark encanto y un antiquark encanto, el cuarto sabor de los quarks conjeturado en 1974 pero que aún no se había descubierto. En 1976 Richter y Ting compartieron el Nobel de física por el descubrimiento de esta “montaña” en la sección eficaz de la figura anterior. Y la partícula ha sido estudiada intensivamente desde entonces para comprender mejor las fuerzas entre los quarks y también como sonda para mejorar el mapeo de los diagramas de fase de la materia nuclear.

Esta imagen es una reconstrucción por ordenador del decaimiento del mesón en un y piones.

Traducción libre de The J/Psi Resonance.

Referencias

• J/Psi Meson, en Wikipedia.
• Smashing pictures. Discovery of the charm quark, en NOVA.
• Tests of flavor symmetry in J/psi decays (hep-ph/9902300), en Arxiv.org.

Y un receso, que no tiene nada que ver con el tema en sí. Dos artículos que escribí hace poco, uno sobre el invierno nuclear y otro sobre el cambio climático tienen ahora mucho que ver gracias al volcán del glaciar Eyjafjalla en Islandia que ha causado la cancelación de 17.000 vuelos de momento, entre ellos el que me tendría que haber llevado de vuelta a España hace unos días. Y mientras disfruto de los encantos del continente africano unos días más, o tal vez semanas, aprovecharé para no dejar de lado la actividad bloguera.

Ah por cierto, no quiero despedir este post sin, por una vez y sin que sirva de precedente, recomendaros encarecidísimamente el blog La Pizarra de Yuri que para mí, por su contenido, es lo mejor que hay en la blogosfera científico-cultural en este momento y con este párrafo le mando mi más sincera admiración y respeto.