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Jun 18 2013

Yo tengo dos quarks… Pues yo tres…. bah, eso no es nada: ¡yo tengo cuatro quarks!

Hoy mismo nos hemos enterado de un importante descubrimiento. Tal y como publicó ayer mismo la American Physical Society (APS) en un artículo titulado “Viewpoint: New Particle Hints at Four-Quark Matter“, dos equipos de investigadores (por un lado del Beijing Electron Positron Collider -China- y por otro de la High Energy Accelerator Research Organization -Japón-) han publicado en el Physical Review Letters el descubrimiento de una partícula denominada Zc(3900) que podría estar compuesta de cuatro quarks. Hasta ahora, todas partículas que conocemos y que están formadas por quarks, tienen únicamente dos o tres.
En concreto han observado 466 eventos en los que aparece esta partícula entre los restos. Una de sus propiedades es que es cuatro veces más pesada que un protón, con 3900 MeV. Esta partícula decae en un pión cargado y en una partícula J/Psi, sugiriendo que contiene un quark extraño y otro anti-extraño. Sin embargo, debe tener otros dos más para evitar la violación de la conservación de la carga eléctrica. Los otros dos quarks podrían ser un arriba y anti-abajo, si bien, existen otras cuatro posibilidades más. Para comprender un poco mejor el descubrimiento y su importancia, vamos a repasar la física de partículas, la interacciones existentes en la naturaleza y el mundo de las partículas. 
La física de partículas estudia las propiedades de las partículas fundamentales (o elementales) y las interacciones entre ellas. Los electrones están considerados una partícula fundamental: aparentemente no tiene sub-estructuras. Sin embargo los protones y neutrones, al estar compuestos de 3 quarks, no son considerados partículas fundamentales. Son los quarks los considerados como partículas fundamentales.
Las fuerzas de la naturaleza
Hay cuatro fuerzas conocidas:
La interacción/fuerza fuerte: Ocurre entre quark, los cuales se unen formando protones y neutrones. También une a neutrones y protones formando el núcleo atómico. La partícula portadora se llama gluón.
La interacción/fuerza débil: Es la responsable, por ejemplo, de radiación beta. Las partículas portadoras son las partículas W(+), W(-) y Z(0) 
La interacción/fuerza electromagnética: Ocurre entre partículas cargadas eléctricamente. Por ejemplo une los electrones al núcleo formando átomos. La partícula portadora es el fotón.
La interacción/fuerza gravitacional: Une cuerpos con masa, como por ejemplo el Sol, los planetas,…. y gobierna el Universo a gran escala. Aún no se ha descubierto la partícula  portadora (se le ha dado el nombre de gravitón). Sin embargo esta fuerza no está considerada como una parte de la física de partículas.

Por otro lado, existen las siguientes teorías cuánticas de campos:
Cromodinámica cuántica: o QCD. Explica la interacción fuerte e introduce el concepto de color para los quarks y gluones (realmente no tienen color, simplemente es una forma de asignar valores a una propiedad).
Teoría electrodébil: Para explicar la interacción electrodébil. La interacción electrodébil es la unificación entre la interacción débil y la electromagnética.
Electrodinámica cuántica: o QED. Explica la interacción electromagnética. Fue la primera teoría cuántica moderna de campos, y a la vez se considera la teoría mejor comprobada de la física.
Teoría de cuerdas: Si bien aún no hay ninguna evidencia experimental, es actualmente la teoría cuántica de campos más prometedora para la gravedad.
Partículas y más partículas
Hay tres familias de partículas: Quarks, leptones y partículas mediadoras. Los quarks responden a la interacción fuerte y cada quark tiene su correspondiente antiquark. Son seis:
– Abajo (d) con carga -1/3
– Arriba (u) con carga +2/3
– Extraño (s) con carga -1/3
– Belleza (c) con carga +2/3
– Inferior (b) con carga -1/3
– Superior (t) con carga +2/3
Así mismo cada quark puede ser de un color: rojo, verde o azul (solo es una forma de asignarle un atributo concreto) y todos tienen espín 1/2
Los leptones no responden a la interacción fuerte y cada leptón tiene su correspondiente antileptón. Los leptones tienen cargas enteras (cero en el caso de los neutrinos), espín 1/2 y su número bariónico es cero. En el modelo estándar la masa de los neutrinos es cero. Son seis:
– Electrón (e-) con carga -1
– Neutrino electrónico (ve) con carga 0
– Muón (u-) con carga -1
– Neutrino muónico (vu) con carga 0
– Tauón (t) con carga -1
– Neutrino tauóncio (vt) con carga 0
Las partículas mediadoras son las responsables de las interacciones. 
Además de la clasificación presentada, también se puede realizar una clasificación en función del espín de la partícula (momento angular). Su valor siempre es un múltiplo entero o medio-entero de h/(2*pi) (h es la constante de Planck). De este modo tendríamos:
Fermiones, que tiene espín medio-entero (1/2, 3/2,…) como los quarks y los leptones (Hay un principio importante que deben respetar los fermiones, llamado principio de exclusión de Pauli, por el cual, dos fermiones no pueden existir juntos en el mismo estado cuántico)
Bosones, que tiene espín entero (0, 1, 2,…) como las partículas mediadoras.
La fuerza nuclear fuerte
La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de nuestro Universo. En el nucleo atómico existen protones, con carga eléctrica positiva y neutrones, neutros. Como las cargas del mismo signo se repelen mutuamente, es necesaria la existencia de otra fuerza además de la electromagnética para mantener el nucleo atómico unido. La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones en el núcleo, a pesar de la fuerza de repulsión eléctrica.  La fuerza nuclear es del orden de 100 veces que la fuerza electromagnética y gracias a ella los protones y neutrones (los neutrones aunque no poseen carga eléctrica, están sometidos a la fuerza nuclear fuerte) permanecen unidos.
Al contra de las fuerzas de gravedad y electromagnética que tienen un alcance infinito, la fuerza nuclear fuerte es de muy corto alcance: menor que una billonésima de milímetro, ligeramente menor que el tamaño del núcleo. Sin embargo en 1963, cuando se supo que protones y neutrones (los llamados nucleones) están formados por quarks, siendo los gluones (de “glue”, pegamento) las partículas que transportan la fuerza fuerte nuclear que interactúa entre los quarks. Los quarks no aparecen solos en el Universo: aparecen juntos formación hadrones. A esto se le denomina el confinamiento de los quarks. Además, si se intenta separar un quark de un hadrón aportando energía, dicha energía es convertida en más quarks confinados en más hadrones. Si dos quarks intercambian un gluón, el quark cambiará su color.
Clasificando la materia
La materia esta formada de fermiones. Existen tres familias. La primera, llamada primera generación, está formada por los quarks arriba y abajo, y los leptones electrón y neutrino electrónico. La segunda generación está formada por los quarks belleza y extraño, y los leptones muón y neutrino muónico. Finalmente la tercera generación es la formada por los quarks cima y fondo, y los leptones tau y neutrino tauónico. Las partículas que forman la segunda generación decaen rápidamente por lo que no forman materia estable. En el caso de la tercera generación, es aún más inestable (el quark cima decae tan rápidamente que la fuerza nuclear fuerte no interactúa con él). Prácticamente toda la materia conocida está formada por partículas de la primera generación.
Un hadrón es cualquier partícula (o conjunto de las mismas) que sea sensible a la fuerza nuclear fuerte. Derivado de esta definición, está el barión, que es un hadrón con espín medio-entero además de estar formados por tres quarks. Por otro lado, los mesones, son hadrones con espín entero, por lo que podría ser, por ejemplo, un quark y un antiquark. Se denomina materia bariónica a la formada por protones y neutrones. En el caso de un protón esta compuesto de dos quark arriba y uno abajo (uud), mientras que el neutrón está compuesto de dos quarks abajo y uno arriba (udd). También, tanto los hadrones como los mesones, tienen otra peculiaridad: no poseen color. De este modo, para un hadrón los colores deberían ser, por ejemplo, rojo, verde y azul. En el caso de un mesón sería un quark rojo y un antiquark rojo.

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