QCD o las interacciones fuertes

Protón (arriba) y Neutrón según Malcolm Godwin. De El Universo en una cáscara de nuez, de S. Hawking (Crítica)

El Nobel de Física ha recaído este año en los estudios del QCD (Cromodinámica Cuántica, la teoría de las interacciones fuertes). Francisco J. Ynduráin, catedrático de Física Teórica de la UAM, autor de The theory of quark and gluon interactions, libro estándar sobre el tema, analiza para El Cultural la importancia de la teoría y su relación personal con los galardonados.

En 1964 el físico americano Murray Gell-Mann, uno de los más brillantes científicos de la segunda mitad del siglo XX, postuló que, para explicar las propiedades de neutrones y protones de los que está hecho el núcleo atómico, se podía suponer que éstos, a su vez, están hechos cada uno de tres partículas elementales, para las que Gell-Mann inventó el nombre de quarks.

De esta manera, el protón estaría compuesto de dos quarks u y uno d, y el neutrón de un quark u y dos d (las etiquetas u, d son las convencionalmente utilizadas para distinguir los dos tipos de quark que hay en los núcleos atómicos). Aunque esta hipótesis explicaba muchas cosas, durante bastante tiempo pocos físicos se la tomaron en serio: ni siquiera el propio Gell-Mann. Así, por ejemplo, durante el período 1971-72, que Gell-Mann pasó en el CERN (Laboratorio europeo de física de partículas) coincidió con Veltman, también de visita allí.

En el curso de una conversación comenzaron ambos a discutir sobre quarks, y Gell-Mann manifestó al holandés que, en aquellos momentos, consideraba que los quarks no son reales, sino, simplemente, una especie de "coordenadas" que sirven para describir protones y neutrones. Del escepticismo de Gell-Mann hay también evidencia escrita; por ejemplo en su conferencia en Schladmig de aquella época (titulada Quarks y publicada como report del CERN, en agosto de 1972) acaba Gell-Mann con la siguiente frase: "Si seguimos demasiado lejos a lo largo de esta dirección..., corremos el peligro de acabar con quarks de verdad, e incluso con quarks libres, como ya hemos dicho. En nuestro trabajo... si inferimos demasiado, nos encontramos con entes ficticios en nuestros modelos, los que acaban por devorarnos". Gell-Mann tenía buenas razones para su escepticismo: el modelo de quarks contenía una contradicción aparentemente insalvable. De los experimentos realizados al final de los años sesenta y principios de los setenta del siglo pasado, tanto en Stanford (en EEUU) como en el CERN, se seguía que, cuando estaban muy cerca unos de otros, los quarks se comportaban como si no interaccionasen, esto es, como partículas libres. Sin embargo, a pesar de las enormes energías utilizadas en los grandes aceleradores (miles de millones de electron-voltios), era imposible separar a los quarks. En verdad, el escepticismo de Gell-Mann no era el del ignorante que, por citar a Machado, "desprecia cuanto ignora", sino el del entendido que es consciente de los problemas.

Pero no era Gell-Mann el único ilustrado representante en aquellos años de la corriente escéptica. Coincidí con David Gross, en el CERN, en 1968-1969. Cuando volvió él a los Estados Unidos, en otoño del 69, le pregunté que en qué iba a trabajar. Y me contestó que en la llamada "teoría de Veneziano" y en el modelo de cuerdas. Efectivamente, en los siguientes tres años pude ojear algunos artículos suyos sobre estos temas. Pero, además de ello, Gross propuso a uno de sus estudiantes de doctorado, Wilczek, calcular los efectos cuánticos en las teorías de interacciones entre partículas elementales conocidas como teorías de Yang-Mills, con la idea de demostrar que no podían servir para describir las interacciones entre quarks.

En 1973 se publicaron simultáneamente dos trabajos conteniendo el mismo descubrimiento teórico: uno por David J. Gross y Franck Wilczek, y el otro por Howard D. Politzer, ambos en la revista ‘Physical Review Letters’. Consistía este descubrimiento en hacer notar que, para teorías de tipo Yang-Mills, las correcciones cuánticas a la intensidad de la interacción son tales que hacen a esta intensidad decrecer a pequeñas distancias (o a gran energía) y crecer a grandes distancias. Estas propiedades son las opuestas de las de otras interacciones: por ejemplo, la electromagnética o la gravitación, cuya intensidad se atenúa con la distancia.

Esta propiedad de que la intensidad de la interacción decrece cuando los quarks se acercan uno a otro implica que, como se había observado en los experimentos que ya hemos citado, a pequeñas distancias los quarks se comportan como si fueran libres: propiedad conocida como libertad asintótica. El trabajo de Gross, Wilczek y Politzer aclaró inmediatamente la situación, desapareciendo por completo las reticencias de los físicos, en particular de Gell-Mann. En efecto, con la libertad asintótica, todas las inconsistencias del modelo de quarks se habían resuelto y, lo que es más, la teoría permitía ahora realizar cálculos de gran cantidad de efectos observables. Cuando estos se realizaron, resultaron en excelente acuerdo con las medidas experimentales: no sólo en interacciones entre quarks de tipo u, d que forman el núcleo atómico, sino entre los otros tipos de quarks (hasta un total de seis) que se han ido descubriendo. A principios de los años 1980, la teoría estaba completamente establecida.