¿Tres cuartos de galón, tres graznidos de gaviota, tres dislates para el Señor Mark? Lo cierto es que entre los varios significados posibles de la palabra quark en el poema de James Joyce, ninguno apunta al concepto que en 1963 Murray Gell-Mann (premio Nobel de Física en 1969) adoptó para la partícula elemental, más pequeña que un protón o que un neutrón —y confinada dentro de éstos—, cuya existencia permite entender la dinámica de la interacción nuclear fuerte, responsable de mantener unidos a los protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos, la llamada cromodinámica cuántica, (QCD, por sus siglas en inglés).

Este año celebramos el sexagésimo aniversario del comienzo de la formulación de la QCD, que hoy en día sabemos representa una de las teorías fundamentales en física y que permite explicar importantes fenómenos de la naturaleza, por ejemplo, por qué brillan el Sol y las estrellas, o la existencia de masa de los objetos visibles en el Universo.

Existen tres tipos de quarks que se distinguen entre sí por una cantidad llamada carga fuerte. En cierto sentido, estas cargas son análogas a la carga eléctrica ordinaria, excepto que en QCD son de tres tipos. A principios de los años 1970, Gell-Mann acuñó el nombre carga de color para referiste a estas cargas, en analogía a los tres colores primarios: rojo, verde y azul. A partir de entonces, el nombre cromodinámica fue establecido.

Para cada tipo de quark existe un antiquark, es decir, un quark pero con la carga de color opuesta a la de su correspondiente quark. De este modo, a las cargas de los antiquarks se les conoce como los anticolores y en la analogía con los colores primarios se les denomina antirojo, antiazul y antiverde.

La QCD incorpora uno de los conceptos básicos para toda teoría fundamental: la simetría ante transformaciones que involucran los objetos que describen, en este caso, los quarks. El concepto establece que los tres tipos de quarks, o antiquarks, así como cualquier combinación de unos u otros, es equivalente ante la interacción nuclear fuerte.

Los quarks tienen masa, por lo que se consideran como las partículas que constituyen la materia.

Podemos imaginar que para formar estas combinaciones escogemos cualquier lugar alrededor de nosotros; la cocina, la luna o el centro de la galaxia. Más aún, podríamos decidir hacer estas combinaciones hoy en este instante, mañana al mediodía o dentro de un año. La simetría de la QCD establece que no importa dónde ni cuándo hagamos estas transformaciones, la teoría sigue siendo válida.

Es difícil pensar que esto pueda suceder impunemente, sin que algo más cambie como consecuencia de estas transformaciones. Para compensar los posibles cambios, la teoría predice la existencia de objetos que compensen las transformaciones entre quarks: los llamados gluones. El nombre gluón hace referencia a la propiedad básica de estos objetos: mantener unidos a los quarks dentro de los protones y los neutrones, como si actuaran a manera de pegamento que mantiene a los quarks dentro de esas partículas.

De la misma manera que los quarks poseen carga de color, los gluones también la tienen. Sin embargo, a diferencia de los quarks existen ocho tipos de gluones. Estos corresponden a las posibles combinaciones de tres colores con tres anticolores donde se excluye la combinación para la cual el color cancela al anticolor. En otras palabras, un gluón sin carga de color no existe.

La QCD es, como toda teoría fundamental, de naturaleza cuántica. Esto significa que los objetos que la describen, quarks y gluones, se pueden visualizar como pequeños corpúsculos que, al moverse, transportan energía, así como otras cantidades físicas llamadas números cuánticos, por ejemplo, la misma carga de color.

En términos cuánticos, los quarks y los gluones se conocen como partículas. Son tan pequeñas que para todo fin práctico se pueden pensar como puntos sin extensión espacial. En la QCD estas partículas son elementales, es decir, no poseen estructura interna.

El gluón actúa a manera de pegamento que mantiene a los quarks dentro de protones y neutrones.

Los quarks, a diferencia de los gluones, tienen masa, por lo que se consideran como las partículas que constituyen la materia, mientras que los gluones son las partículas que transmiten la interacción. La riqueza de la teoría se manifiesta en el hecho de que los gluones no sólo interactúan con los quarks, sino que además pueden interactuar entre sí.

Un protón, compuesto por dos quarks arriba (u) y un quark abajo (d).

No obstante, la masa de los quarks es muy pequeña y la suma de las masas de los quarks que constituyen los protones o los neutrones no da cuenta del total de la masa de estas partículas. ¿Cómo entendemos entonces la masa de protones y neutrones formados de quarks con masas pequeñas? La respuesta se encuentra en la equivalencia entre energía y masa encontrada por Albert Einstein a principios del siglo XX.

En estos términos, la interacción fuerte es tan intensa que la energía involucrada contribuye significativamente a la masa de los protones y los neutrones. De hecho, casi toda la masa de los protones y de los neutrones proviene de esta energía de interacción. Sin embargo, la interacción es intensa sólo para distancias comparables al tamaño de un núcleo atómico. Cuando la interacción tiene lugar a distancias aún menores, su intensidad disminuye y los quarks y los gluones se comportan como partículas que no interactúan entre sí. La descripción de este importante fenómeno, conocido como libertad asintótica, mereció el premio Nobel de Física en 2004.

En la actualidad, uno de los frentes con mayor actividad en ciencia de frontera es el estudio de las propiedades de la QCD en condiciones extremas de temperatura y densidad, como las que se presentan durante la evolución del Universo temprano, al interior de objetos astrofísicos como supernovas, o estrellas de neutrones, o en colisiones de núcleos de elementos pesados producidas en los grandes laboratorios de física de partículas elementales en el ámbito mundial. Un nutrido equipo de investigadores mexicanos distribuidos en instituciones nacionales en todo el territorio realiza importantes contribuciones a estos desarrollos.

Cualquier desarrollo tecnológico es precedido por descubrimientos fruto de la curiosidad de nuestra especie. 

Sesenta años de evolución de la QCD han permitido confirmar la existencia de los quarks y los gluones, no sólo como constituyentes de protones y neutrones, sino además de otras partículas producidas en colisiones a altas energías utilizando poderosos aceleradores y midiendo sus propiedades con detectores cada vez más precisos.

Un pentaquark es una partícula subatómica formada POR cuatro quarks y un antiquark unidos entre sí.

Este tipo de experimentos ha motivado el desarrollo de tecnologías que encuentran su utilidad práctica en disciplinas como la medicina, con la fabricación de dispositivos para uso en imagenología o el desarrollo de terapias que utilizan radiación ionizante. El diseño y construcción de dispositivos electrónicos basados en el uso de semiconductores han  recibido también un fuerte impulso por parte de la física de altas energías, que requiere métodos de detección cada vez más veloces y exactos.

El desarrollo mismo de la www tuvo lugar como respuesta a la necesidad del intercambio de datos producidos en experimentos de la física de partículas. ¿Cómo imaginar estos desarrollos prácticos sin la motivación proveniente de la curiosidad de científicos empeñados en desentrañar las leyes que rigen el comportamiento de la naturaleza? La respuesta es que no sería posible.

Cualquier desarrollo tecnológico es precedido por descubrimientos fruto de la curiosidad de nuestra especie. Cultivar y nutrir esa curiosidad es la mejor estrategia para permitir un futuro con mejores tecnologías que puedan ser aplicadas para la solución de los muchos problemas que como especie enfrentamos y seguiremos enfrentando en el futuro.

Es por lo tanto nuestra responsabilidad continuar haciendo preguntas acerca del comportamiento de la naturaleza. En algún sitio, motivados por entender el brillo de las estrellas o la evolución del Universo, algo increíble continúa esperando a ser descubierto y nos corresponde empeñar nuestro entusiasmo para participar de esos hallazgos y, eventualmente, utilizarlos para un mejor y más equitativo desarrollo de nuestra sociedad.

Descubre aquí impresionantes videos con la simulación de campo de gluones: http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/index.html