En esta entrada, dentro de la serie de los límites de la física,
analizamos la discrepancia entre la masa esperada y la obtenida del protón y del
neutrón. Existe un premio de un millón de dólares para el que la justifique.
Repasemos lo que ya sabemos.
Los átomos están formados por núcleos y electrones. Los
núcleos contienen protones y neutrones. Los protones están constituidos por dos
quarks Up y uno Down y los neutrones por dos quarks Down y uno Up.
La fuerza de atracción que mantiene unidos los quarks dentro
del protón y del neutrón es la fuerza nuclear fuerte que tiene tres colores
Rojo, Verde, Azul (RGB por Red, Green, Blue en inglés). Los tres quarks del
protón tienen distinto color, de forma que la suma es ‘blanca’.
En los mesones, de dos quarks, se unen un quark y un antiquark
con un color y un anticolor, de forma que la suma es ‘negra’.
No hay quarks libres porque a medida que se separan es como
si un muelle los juntara cada vez con más fuerza hasta que la energía del sistema es capaz
de crear un par complementario y entonces se separan emparejados otra vez.
Los quarks disfrutan de los que se llama la libertad asintótica mientras están confinados en los hadrones (partículas formadas por quarks: los mesones (2q)
y los bariones (3q)).
El problema es que la suma de las masas de los quarks ni de
lejos es la masa del hadrón correspondiente:
Partícula
|
Masa
|
Quark Up
|
2,4
|
Quark
Down
|
4,8
|
Protón
(uud)
|
938
|
Neutrón
(udd)
|
950
|
Pión+
(Up+anti Down)
|
140
|
Pión-
(Down+Anti Up)
|
140
|
Pión0
(Down+AntiDown)
|
135
|
Pión0
(Up+AntiUp)
|
135
|
Es decir los quarks apenas justifican la masa del hadrón.
Entonces la pregunta es ¿De dónde sale la masa de los hadrones?
Esta pregunta forma es una de las preguntas del
milenio del Clay Mathematics Institute, CMI, dotado con un millón de dólares
para el que aporte una solución. Se trata de
La descripción del problema nos pide que justifiquemos tres
cosas:
Debe justificar la diferencia entre las masas de los
protones y los quarks, y por qué los gluones, a diferencia de los bosones intermedios,
no tienen masa.
Debe justificar el confinamiento de los quarks, es decir,
por qué los quarks están libres mientras están juntos, pero la fuerza con la
que se atraen se dispara cuando se separan hasta el punto de que se crean del
vacío un par de quarks nuevos para impedir que estén solos. La intensidad de la
gravedad o del campo electromagnético disminuye con la distancia, pero la
intensidad de la fuerza nuclear fuerte funciona al revés: los quarks están confinados y no se pueden separar.
Debe justificar el álgebra de los piones, mesones quark-antiquark,
en los debe justificar la diferencia entre los quarks y los antiquarks.
Por el primer punto es necesario explicar por qué la fuerza
nuclear es fuerte pero de corta distancia; por el segundo se necesita explicar
por qué nunca vemos quarks individuales; y por el tercero se debe explicar la
teoría del álgebra actual de piones que fue desarrollada en la década de 1960.
La propuesta desarrollada en mi libro es la siguiente:
Un quark es una partícula con tres ejes: (s, t, u), siendo s = 'x' o 'y' o 'z'. La teoría actual
reconoce que los quarks del protón están permanentemente intercambiando gluones,
es decir, cambiando de color, lo que nosotros debemos interpretar como rotando
sobre las tres dimensiones espaciales manteniendo la dimensión u (unseen) y el eje temporal
fijos.
Sin embargo, lo más probable es que los quarks confinados
establezcan una cápsula dentro de la cual rotan en todas las direcciones, es
decir, intercambian no sólo las curvaturas de las tres dimensiones espaciales
sino también las otras dos o al menos la flecha del tiempo.
Si la masa de los
quarks es proporcional a la proyección del quark sobre la dimensión temporal, y
estando confinado rota de forma que el color se convierte en masa, entonces su
masa aparente sería mucho mayor.
En los quarks confinados, una consecuencia de la libertad
asintótica es que el color se convierte en masa, es decir, los quarks están libres
dentro del protón o del neutrón porque mientras no se separen no actúa la carga
de color y al mismo tiempo, les es posible rotar transformando la carga de color
en masa, es decir la curvatura de una dimensión espacial en curvatura de la
dimensión temporal.
Bibliografía (de pago) en
Puede tener sentido.
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