Del total de la masa de un átomo aproximadamente el 99,9995% corresponde al núcleo atómico. Un nucleón está formado por 3 quarks: 2 quarks u (up) y un quark d (down) en el caso del protón y 2 quarks d y uno u en el caso del neutrón. Sin embargo, si tomamos por ejemplo un protón y sumamos la masa de sus 3 quarks solo obtenemos el 1% de la masa total del protón. Entonces, ¿de donde viene el 99% de la masa que falta?
Para obtener la respuesta hay que explicar que un protón es más complicado que la simple unión de los 3 quarks: éste está formado también por un mar de gluones (las partículas que transmiten la fuerza fuerte que mantiene a los quarks dentro del núcleo) y por un mar de pares quark-antiquark virtuales. De hecho la distribución de la masa-energía dentro del núcleo atómico es, aproximadamente, la siguiente:
Masa total quarks y pares quark-antiquark virtuales: 12,3% masa del protón (Mp)
Energía cinética + Energía potencial de los quarks: 33,3% Mp
Energía cinética + Energía potencial de los gluones: 33,3% Mp
Energía termodinámica (temperatura y presión): 21% Mp
Esto significa que, aunque parezca increíble, el 88% de nuestra masa es pura energía concentrada en un volumen diminuto: casi 100.000 veces más pequeño que los átomos de nuestro cuerpo. Podriamos decir que estamos hechos de la energía cinética, potencial y termodinámica almacenada en los campos de confinamiento de los quarks al estilo de un muelle o una goma elástica:
Los 3 quarks permanecen confinados en una esfera de aproximadamente 1 fermi (10-15m) de radio a pesar de la enorme repulsión coulombiana. Como es sabido, esto es debido a que a estas escalas, la fuerza fuerte domina sobre la fuerza electromagnética. Sin embargo, los detalles del mecanismo exacto que produce el confinamiento
están aún por determinar. Este problema se puede considerar como el secreto más profundo de la composición de la materia. En este artículo analizaremos la propuesta más prometedora para explicar el confinamiento de los quarks, esta propuesta es sorprendente y apasionante ya que involucra a algunas de las entidades más exóticas e
increíbles de la física moderna.
Transiciones de fase y superconductividad
En física, una transición de fase se produce cuando un sistema que posee cierta simetría alcanza un punto crítico en el cual dicha simetría se rompe. Esta transición de fase o ruptura de la simetría inicial produce efectos físicos notables. Por ejemplo, cuando nuestro Universo se enfrió por debajo del equivalente a una energía de 250GeV
la llamada simetría electrodébil se rompió produciendo que la fuerza electrodébil se separara en las 2 fuerzas distintas que vemos hoy: la fuerza débil y la fuerza electromagnética. Esta transición de fase produjo que ciertas partículas (los bosones W,Z) adquirieran masa. De forma similar, cuando ciertos materiales se enfrían por debajo de cierta temperatura crítica experimentan una transición de fase en la que los fotones dentro del material adquieren masa y el campo magnético es expulsado del interior del material. Además, los electrones tienden a agruparse por parejas que se comportan como si fueran bosones (partículas portadoras de fuerza de spin 1) en
lugar de fermiones (partículas de spin 1/2). Esto produce lo que se denomina un condensado de Bose-Einstein en el que todas las partículas se encuentran en su estado fundamental y se comportan como si fueran una gran partícula individual. Así se produce la superconductividad. En un superconductor tipo II el campo magnético
no es expulsado completamente y queda confinado en tubos cilíndricos en el interior del material entre los cuales los electrones (pares de Cooper) viajan sin resistencia eléctrica.
Monopolos magnéticos
Los físicos creen que en los primeros instantes del Universo, antes de la transición de fase electrodébil, se produjo una transición de fase. Antes de esta transición de fase 3 de las 4 fuerzas fundamentales estaban unificadas en una sola fuerza que, debido a la ruptura de simetría se separó en 2 fuerzas: la fuerza núclear fuerte y la electrodébil.
Las teorías físicas predicen que durante esta fase sucedió algo asombroso: al producirse el cambio de fase, ciertos puntos singulares con carga magnética (vórtices) permanecieron sin romper la simetría original. Alrederor de estos puntos, la transición de fase se expandió de forma irregular produciendo la expulsión del campo magnético a su alrededor (como en un superconductor) produciendo unas "entidades" extraordinarias: los monopolos magnéticos. En los monopolos magnéticos las lineas del campo magnético salen o entran pero nunca alcanzan el polo opuesto.
Después de la transición de fase los monopolos magnéticos quedaron "condensados" formando un condensado de Bose-Einstein de forma similar a como las impurezas del agua quedan condensadas (congeladas) cuando este pasa de líquido a sólido. Los protones y neutrones que componen todos los núcleos atómicos de todos los átomos que existen en el Universo se formaron instantes después de esta ruptura de la simetría.
Confinamiento: monopolos magnéticos y superconductividad dual
Pero, entonces, ¿Cual es el mecanismo que mantiene unidas a las partículas cargadas (quarks) dentro del núcleo atómico? El mecanismo responsable del confinamiento debe de ser diferente a las otras fuerzas fundamentales conocidas ya que al contrario que en estas ¡La fuerza atractiva disminuye con la distancia y aumenta cuando los quarks se separan ! Esto no puede explicarse simplemente a través del intercambio de partículas mediadoras como en otras fuerzas. Se sabe experimentalmente que la fuerza de atracción es proporcional a la distancia como si existiese un potencial estático lineal y que este potencial esta limitado a una región cilíndrica de diámetro constante:
Aunque parezca increíble esto es análogo a lo que sucede dentro de un superconductor tipo II: en éste, las cargas eléctricas (pares de Cooper) forman un condensado de BE que circula sin resistencia a través de un campo magnético confinado en un cilindro. ¿Puede haber una relación entre ambos casos a pesar de las enormes diferencias? La respuesta
es, SI. Vamos a suponer que introducimos un par de monopolos magnéticos con carga eléctrica opuesta dentro de un superconductor. ¿Que sucedería? La respuesta es asombrosa: entre los monopolos se produciría un confinamiento del
campo magnético en forma de cilindro de forma que la energía almacenada en el campo magnético ¡ crece linealmente con la distancia entre los monopolos ! Es decir, un par monopolo-antimonopolo dentro de un superconductor produce
el confinamiento con un potencial estático lineal de forma cilíndrica.¡Exactamente lo que se observa experimentalmente!
Esto nos lleva a la teoría física más prometedora para explicar el confinamiento de los quarks en los núcleones y en los mesones: el confinamiento por monopolos magnéticos y superconductividad dual. Esta teoría se basa en un intercambio de roles entre el campo eléctrico y el campo magnético: en lugar de un campo magnético cilíndrico en un condensado de partículas cargadas eléctricamente lo que tenemos es un campo eléctrico cilíndrico de color (que crea la atracción entre quarks) en un condensado de partículas con carga magnética (los monopolos magnéticos). El espacio entre los quarks
formaría un superconductor (dual) constituido por un condensado de monopolos magnéticos que son una "reliquia" de los primeros instantes de la vida del Universo. En este espacio los quarks, que poseen carga eléctrica de color, quedan confinados dentro de un radio de aproximadamente un fermi.
Conclusiones
Casi toda la masa de toda la materia que existe en el Universo, incluidos nosotros mismos, esta concentrada en un radio de unos 10-15m en el núcleo de los átomos. La mayoría de esta masa está en forma de pura energía de enlace de las partículas que forman el núcleo atómico (los quarks). Aún no sabemos como se produce exactamente
el confinamiento de tal cantidad de energía en un radio tan diminuto, sin embargo, la teoría con más probabilidades para explicar esto, invoca la existencia de monopolos magnéticos. Estos aún no han sido detectados en la naturaleza (experimentos como el LHC los están buscando) pero nuestras teorías físicas sobre el origen del Universo y muchas otras predicen su existencia. Si esta teoría es correcta, entonces podremos afirmar algo increíble: más que polvo de estrellas, somos en realidad, a un nivel más profundo, polvo de defectos topológicos (monopolos) que quedaron
condensados en el espacio-tiempo en las primeras fases del Universo.