Confinamiento de los quarks

Quark confinement es el fenómeno que impide que los quarks existan de manera aislada: siempre permanecen confinados en el interior de partículas compuestas. A diferencia de la mayoría de las fuerzas, la interacción fuerte se intensifica cuanto más se separan los quarks, lo que hace imposible liberarlos.

Este comportamiento, tan contraintuitivo, constituye una característica esencial de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe la interacción nuclear fuerte.

En la naturaleza nunca se encuentran quarks solitarios. Están siempre atrapados dentro de partículas compuestas llamadas hadrones -como protones y neutrones-, los bloques fundamentales de los núcleos atómicos.

La fuerza responsable de este confinamiento es la interacción fuerte, mediada por los gluones, los bosones de norma de la QCD.

Nota. A diferencia de los fotones en la electrodinámica cuántica (QED), los gluones poseen carga de color y pueden interactuar entre sí. Esta propiedad de autocoplamiento convierte a la QCD en una teoría no abeliana y fuertemente no lineal.

La fuerza fuerte mantiene unidos protones y neutrones en el núcleo atómico, venciendo la repulsión electrostática entre sus cargas positivas. Gracias a ello, la materia es estable.

Uno de los aspectos más sorprendentes de la interacción fuerte es su peculiar dependencia de la distancia entre quarks:

• A distancias extremadamente cortas (correspondientes a energías muy altas), la fuerza fuerte se debilita y los quarks se comportan casi como partículas libres. Este fenómeno, denominado libertad asintótica, ha sido confirmado en experimentos de colisiones de alta energía.
• En cambio, a mayores separaciones, la fuerza crece, como si los quarks estuvieran unidos por una banda elástica. Lejos de disminuir con la distancia, la interacción se intensifica. Al separar dos quarks, la fuerza aumenta con la distancia \( r \), de forma semejante a la tensión de un resorte estirado. La energía potencial del sistema crece entonces de manera lineal con la separación: $$ V(r) \approx \sigma \cdot r $$ donde \( \sigma \) es la tensión de la cuerda, aproximadamente \( 0.2 \,\text{GeV}^2 \).

Nota. El confinamiento solo puede superarse en condiciones extremas, como las altísimas temperaturas del universo primitivo o en colisiones de muy alta energía en el LHC, donde puede formarse fugazmente un plasma de quarks y gluones.

¿Qué sucede si intentas separar dos quarks?

Al tratar de separar dos quarks, el campo de color entre ellos almacena una cantidad creciente de energía.

Cuando esa energía supera un umbral crítico, se transforma en masa de acuerdo con \( E = mc^2 \), dando lugar a la creación espontánea de nuevos pares quark-antiquark a partir del vacío.

Esto ocurre porque la energía necesaria para separar quarks es mayor que la requerida para generar partículas nuevas.

En consecuencia, el proceso nunca produce un quark libre. En su lugar, se generan nuevos hadrones.

Por eso jamás se ha observado un quark libre.

¿Por qué no puede existir un quark aislado?

Un quark por sí solo no puede existir porque el confinamiento exige que toda partícula sea neutra en color.

• Los bariones (como el protón) están formados por tres quarks, cada uno con un color distinto -rojo, verde y azul-. En conjunto se combinan en un estado neutro que suele describirse como “blanco”.
• Los mesones, en cambio, consisten en un quark y su antiquark correspondiente. El color del quark queda anulado exactamente por el anticolor del antiquark.
  

En ambos casos, el resultado es siempre un sistema neutro en color.

Los tres colores fundamentales -rojo, verde y azul- se combinan en los bariones, mientras que los tres anticolores -antirrojo, antiverde y antiazul- se combinan en los antibariones. En ambos casos, el resultado es un estado perfectamente neutro, “blanco”, sin carga de color neta.

La misma regla se aplica a los mesones: el color de un quark queda siempre compensado de manera exacta por el anticolor de su antiquark.

Por esta razón, un quark libre no puede existir: aislado, no puede alcanzar la neutralidad cromática. En otras palabras, en la naturaleza no existe un “quark blanco”.

Cada vez que un quark se separa, se recombina de inmediato con otros quarks o antiquarks, dando lugar a nuevos hadrones neutros en color.

Nota. Aunque el confinamiento cuenta con un sólido respaldo experimental, todavía carecemos de una demostración matemática completa. Conseguirla sigue siendo uno de los Problemas del Milenio propuestos por el Clay Mathematics Institute, que ofrece un premio de un millón de dólares para quien logre resolverlo. Las investigaciones sobre el plasma de quarks y gluones y los métodos no perturbativos podrían, en el futuro, aportar una explicación definitiva.

Y la investigación continúa…