Tony M. Liss y Paul L. Tipton, coordinadores del grupo de búsqueda del sexto quark, el quark cima (o quark top), publicaron en diciembre de 1997 un artículo en el que analizan el descubrimiento de este quark, para lo cual tuvieron que provocar las colisiones de mayor energía y con más partículas que jamás se habían producido. En este fragmento se recoge una introducción a la descripción de las investigaciones.
Fragmento de El descubrimiento del quark cima.
De Tony M. Liss y Paul L. Tipton.
Se convocaron deprisa y corriendo dos reuniones en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, el Fermilab. Se trataba de un acontecimiento histórico; en aulas contiguas, físicos adscritos a dos experimentos distintos, aunque acometidos en ese mismo centro, comunicaban el descubrimiento de una partícula nueva: el quark cima (o quark top). Era marzo de 1995. Habían terminado los casi veinte años de búsqueda de una de las últimas piezas del modelo estándar que faltaba por descubrir.
El quark cima es el sexto quark. Con toda probabilidad, el último también. Junto con los leptones —el electrón y otras partículas afines—, los quarks son el barro del que está hecha la materia. Los más ligeros, los quarks “arriba” y “abajo”, forman protones y neutrones. Con los electrones constituyen la tabla periódica entera. Los demás leptones y quarks (el encanto, el extraño, el cima y el fondo) son más pesados; si bien fueron abundantes en los momentos que siguieron a la gran explosión (“big bang”), hoy, por lo común, se producen sólo en los aceleradores. El modelo estándar describe las interacciones entre estos ladrillos. Impone que leptones y quarks se asocien en parejas, en “generaciones”.
Los físicos saben que existe el quark cima desde 1977, año en que se descubrió su compañero, el quark fondo. Encontrar el cima fue tarea desesperante. Aunque es una partícula fundamental y carece de estructura discernible, tiene una masa de 175.000 millones de electronvolts (GeV), tanta como un átomo de oro y mucho más que lo previsto por la mayoría de los teóricos. La del protón, que consta de dos quarks arriba y uno abajo, es sólo de menos de 1 GeV. (El electronvolt es una unidad de energía, relacionada con la masa por la fórmula E = mc2.)
Para crear un quark cima, pues, hubo que concentrar inmensas cantidades de energía en una región ínfima de espacio. Se consiguió acelerando dos partículas y haciendo que chocaran una contra otra. Se esperaba que entre unos cuantos billones de colisiones al menos un puñado crease un quark cima a partir de la energía del impacto. Pero se desconocía cuánta energía se precisaría. El modelo estándar predecía muchas propiedades del quark cima —la carga, el espín o momento angular intrínseco—, pero no determinaba la masa.
Aunque las partículas se pueden crear a partir de la energía, ciertas características, la carga eléctrica por ejemplo, no: se “conservan”. No es posible que un quark cima nazca solo. La manera más sencilla de engendrar uno consiste en crear a la vez un anticima, que tiene la misma masa y, cambiados, los signos de las demás propiedades; entre los dos se anulan, pues, las magnitudes conservadas.
El colisionador del Fermilab empezó a funcionar en 1985. Para entonces ya hacía ocho años que se perseguía el quark cima. Las primeras tentativas, en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford, en Palo Alto, California, y en el DESY de Hamburgo no dieron resultado. Con los años la caza fue pasando de un acelerador a otro conforme se disponía de haces de partículas de mayor energía. A principios de los años ochenta el choque de haces de protones y antiprotones a energías de 315 GeV generó en el CERN, el laboratorio europeo de física de grandes energías, próximo a Ginebra, dos nuevas partículas, el bosón W y el Z.
Los quarks y los leptones forman la materia; W y Z transmiten una fuerza, la débil, que causa algunos tipos de desintegración radiactiva. Este descubrimiento fue una nueva confirmación del modelo estándar, que había predicho con exactitud sus masas. Muchos creían que era inminente el descubrimiento del quark cima en el CERN.
Pero no sería fácil. Cuando los protones y los antiprotones chocan entre sí con grandes energías se produce una colisión entre sus quarks y gluones internos. Cada quark o gluon lleva sólo una pequeña fracción de la energía total de su protón o antiprotón, pero el choque ha de tener la suficiente energía para que se generen los quarks cima. Esas colisiones son raras, y cuanto mayor sea la energía que se necesita —es decir, cuanto mayor sea la masa del cima—, más raras serán.
Para 1988 no se había descubierto todavía el quark cima en el CERN; se concluyó que su masa tenía que ser mayor de 41 GeV. Mientras, el colisionador del Fermilab iba dando muestras de hasta dónde podía llegar con nuestro reciente CDF, el Detector de Colisiones del Fermilab. La década terminó con un breve período de competición intensa entre nosotros y el CERN; no apareció el quark cima, pero supimos que su masa no podía ser inferior a 77 GeV.
Por entonces el CERN había tocado techo. Las energías de sus haces son menores, y no era probable que crease quarks cima de más de 77 GeV. En adelante la pugna sería entre el CDF y un nuevo dispositivo experimental instalado al otro lado del anillo de Fermilab, el DØ (se lee “D cero”, y se refiere a su situación en el anillo.)
A principios de los ochenta Leon M. Lederman, director del Fermilab, decidió que debía haber un competidor local del CDF. Así se nos metió el rival en casa. A partir de 1992 el DØ fue tomando datos. Que dos experimentos complementarios estudiasen los mismos fenómenos físicos no sólo espoleó a unos y a otros, sino que tuvo un efecto beneficioso adicional. Por mucho que los experimentadores se esfuercen, siempre caben resultados espurios. Un segundo experimento sirve de refrendo.
Tanto en el equipo del CDF como en el del DØ trabajan más de 400 físicos de distintos países. A ellos hay que añadir un sinnúmero de ingenieros, técnicos y personal auxiliar. Los dos equipos rivales son autónomos en sus decisiones y análisis. Cada uno intenta adelantarse al otro en los descubrimientos.
Fuente: Liss, Tony M. Tipton, Paul L. El descubrimiento del quark cima. Investigación y Ciencia. Barcelona: Prensa Científica, diciembre, 1997.
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