No sabes lo que es, tú que lo tienes en tus manos. Los átomos? Sí, las cosas están hechas de átomos. Y cada átomo es un núcleo orbitado por electrones. Cada núcleo está construido de protones. Todos los protones lo son, pero ahí llegas al final de la línea. Dentro del protón se encuentra la verdad profunda e inquietante: Las cosas están hechas de nada, o casi nada, unidas por pegamento, mucho pegamento. Los físicos comenzaron a sospechar esto en 1973. Últimamente ha sido probado por experimento.

CERN Photo

Frank Wilczek era un estudiante graduado de 21 años en la Universidad de Princeton cuando ayudó a desarrollar esta teoría del protón en 1973. Al principio no lo entendió por sí mismo; solo estaba siguiendo hacia dónde lo llevaban las matemáticas. «Hicimos los cálculos, pero no teníamos una comprensión intuitiva simple», dice Wilczek. «La imagen física vino más tarde.»Esa foto tomó un tiempo incluso para que los físicos la absorbieran, porque realmente no es simple. Incluso hoy en día, si le pides a un físico que describa un protón, primero obtendrás una versión de dibujos animados, la que dice que un protón está hecho simplemente de tres partículas más pequeñas llamadas quarks. Esa descripción no es exactamente falsa, solo es de baja resolución. Es cierto la forma en que una foto de Times Square a 30.000 pies de distancia es cierta. La realidad de cerca, la que Wilczek y sus colegas vieron hace mucho tiempo, es mucho más enloquecedora y extraña.

Un protón está hecho de tres quarks, sí, pero los quarks son infinitesimales, solo un 2 por ciento aproximadamente de la masa total del protón. Se mueven a una velocidad cercana a la de la luz dentro del protón, pero están aprisionados en nubes parpadeantes de otras partículas, otros quarks, que se materializan brevemente y luego desaparecen y, sobre todo, gluones, que transmiten la fuerza que une a los quarks. Los gluones son sin masa y evanescentes, pero llevan la mayor parte de la energía del protón. Es por eso que es más preciso decir que los protones están hechos de gluones en lugar de quarks. Los protones son pequeñas gotas de pegamento—pero incluso esa imagen transmite algo demasiado estático y sustancial. Todo es flujo y energía crepitante dentro de un protón; es como una tormenta sin fin en una botella, una botella menos que .1 billonésima de pulgada de diámetro. «Es una estructura muy rica y dinámica», dice Wilczek. «Y es muy agradable que tengamos una teoría que pueda reproducirla.»

Especialmente si eres uno de los que inventaron la teoría, y si, más de dos décadas después, esa teoría está siendo verificada por experimento. En un acelerador de partículas llamado HERA en Hamburgo, Alemania, los físicos han estado disparando electrones en protones durante los últimos ocho años, mostrando cuán insustanciales son los quarks en su interior. Mientras tanto, otros experimentos con aceleradores pronto podrían revelar cómo el universo ensambló todos sus protones en primer lugar. En febrero, físicos del CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas en las afueras de Ginebra, anunciaron «pruebas convincentes» de que habían logrado derretir grandes cantidades de protones, creando por un instante el tipo de plasma de quarks y gluones que existió por última vez un microsegundo después del Big Bang. Todos los protones de alrededor se han congelado de esa sopa. En el Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island, Nueva York, se está preparando un acelerador nuevo y más potente para cocinar sopa de quark-gluón a diario este verano. Para el próximo año, los físicos podrían tener una idea mucho mejor de cómo era el universo cuando era mil millones de veces más caliente que la superficie del sol, y los quarks y gluones—que aún no estaban atrapados dentro de protones, dentro de núcleos, dentro de átomos, dentro de nosotros—podrían jugar libremente en los campos cuánticos.

La cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que Wilczek y sus colegas inventaron, es un tipo de teoría cuántica de campos, y la teoría cuántica de campos para principiantes es algo así. Primero, E = mc2, como descubrió Einstein. Es decir, la energía se puede convertir en masa y viceversa. Segundo, el espacio vacío no está vacío: Lo que llamamos vacío está en realidad hirviendo con todo tipo de campos de energía, y la energía se manifiesta constantemente como partículas «virtuales» que surgen y luego desaparecen de nuevo en algo menos de una trillonésima de nanosegundo. «No nos sería muy útil ver esta estructura del vacío», dice Wilczek, que ahora es profesor en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, donde vive en la antigua casa de Einstein. «No nos ayudaría a evitar a los tigres dientes de sable ni a criar a nuestros hijos, por lo que la evolución nos ha enseñado a ignorarlo. Pero está ahí.»

Tercero (y último en nuestro manual de teoría de campos), cuando dos partículas subatómicas ejercen una fuerza sobre la otra, interactúan a través de uno de esos campos de energía, que ellos mismos ayudan a crear. Específicamente, están intercambiando una de esas partículas virtuales, el cuántico del campo cuántico. Un electrón, por ejemplo, tiene una carga eléctrica de -1, y esa carga genera un campo eléctrico. Si el electrón se está moviendo, como siempre, girando sobre su eje y orbitando el núcleo atómico, también genera un campo magnético; todos los campos magnéticos se crean finalmente al mover cargas eléctricas. Cuando dos partículas cargadas interactúan, cuando, por ejemplo, un electrón es dispersado por un protón en HERA, intercambian un fotón virtual, el cuántico del campo electromagnético. La teoría que describe tales interacciones, inventada por Richard Feynman, entre otros, se llama electrodinámica cuántica, o QED.

En QED, cada electrón individual está rodeado por una nube de partículas virtuales de corta duración, fotones, pero también otros electrones emparejados con positrones, sus gemelos de antimateria cargados positivamente. Esos pares de partículas en enjambre forman una pantalla que cancela parcialmente el campo de electrones, al menos como se ve desde fuera de la pantalla. Desde el interior de la pantalla, por otro lado, el campo parece más fuerte de lo que cabría esperar, como una bombilla desnuda una vez que se ha eliminado una pantalla de lámpara. «De acuerdo, eso es proyección, y es bastante fácil de entender», dice Wilczek. «Lo que sucede en QCD, dentro del protón, es justo lo contrario: es anti-pantalla. Fue una sorpresa incluso para nosotros, así que no puede ser demasiado simple. Pero hemos llegado a entenderlo en términos más elementales a lo largo de los años.»

A principios de la década de 1970, cuando Wilczek hizo su trabajo pionero, fue un momento embriagador para los físicos de partículas. Su aire es algo diferente de lo que respiramos el resto de nosotros, y QCD estaba en él. Unos años antes, los investigadores del Centro Acelerador Lineal de Stanford habían acelerado electrones por primera vez a energías lo suficientemente altas como para penetrar protones. Los electrones no parecían sumergirse en la papilla; parecían rebotar en pepitas puntiagudas dentro de los protones. Los quarks, que habían sido postulados en 1964 como entidades puramente matemáticas, comenzaron a parecer como si realmente pudieran existir dentro de los protones, y la cuestión de cómo se mantuvo todo unido se volvió urgente y emocionante. Mientras Wilczek y su asesor, David Gross, estaban descubriendo la respuesta en Princeton, otro estudiante graduado llamado David Politzer la estaba descubriendo de forma independiente en Harvard. Gross era el viejo del trío a los 31 años. «Tuvimos la suerte de haber sido jóvenes entonces», escribió más tarde, » cuando pudimos pasear por las playas recién abiertas y recoger las muchas conchas hermosas que el experimento había revelado.»

Un proyectil era más extraño que el resto. Los experimentos de Stanford parecían mostrar que la fuerza entre los quarks, conocida como la fuerza fuerte, en realidad se debilitaba a medida que los quarks se acercaban. Eso fue muy extraño. Las fuerzas que encontramos a diario, el electromagnetismo y la gravedad, actúan de la manera opuesta: son más fuertes a distancias cortas de su fuente y más débiles a distancias largas. Esa es la manera intuitiva; así es como deben ser las cosas. De lo contrario, por ejemplo, los imanes volarían de su refrigerador para aferrarse a la atractiva estufa distante, excepto que desde la distancia, el refrigerador comenzaría a verse bien para ellos nuevamente. Y, sin embargo, débil como la fuerza fuerte estaba en distancias muy cortas, era lo suficientemente fuerte en distancias más largas para frustrar a los físicos que se habían esforzado mucho y no habían podido sacar un quark de un protón. Nadie había podido observar a uno aislado.

Wilczek y Gross fueron a buscar una teoría cuántica de campos que pudiera explicar tal fuerza. En realidad Gross esperaba que fracasaran; quería probar que la teoría de campos era un callejón sin salida. Pero un tipo de formalismo matemático, llamado teoría de gauge no abeliana, aún no se había probado. Wilczek pasó medio año llenando un cuaderno con cálculos de cómo las partículas interactuarían a través de un campo cuántico no abeliano. Al final, tenía una fuerza que se fortaleció a corta distancia, como una buena fuerza debería, como Gross esperaba, pero a diferencia de lo que se había medido en Stanford. Wilczek revisaba los largos cálculos una y otra vez. Luego Gross detectó un solo signo más en la ecuación de campo que debería haber sido un signo menos. Ese cambio de signo lo cambió todo: nació QCD.

Dentro de un protón, según QCD, los quarks son «asintóticamente libres», como sugirieron los resultados de Stanford, lo que significa que se mueven casi como si no hubiera fuerza entre ellos en absoluto. Pero la libertad es una ilusión: un quark nunca puede escapar de sus socios. A medida que aumenta la distancia entre ellos, también lo hace la fuerza, y así un quark caprichoso es inevitablemente controlado, como un puente elástico. Es por eso que nadie ha visto ni verá un quark solitario, lo que, cuando lo piensas, es profundamente extraño. «El protón tiene partes, pero no se puede desmontar», dice Alvaro de Rújula, físico teórico del CERN. «Puedes sostener un electrón en tu mano. No puedes sostener un quark o un gluón en la mano.»

La rareza viene de los gluones. La cromodinámica cuántica, la fuerza que mantiene unidos a los protones, se basa estrechamente en la electrodinámica cuántica, la fuerza que mantiene unidos a los átomos, pero los gluones cambian de cribado a anti—cribado, de intuitivo a extraño. En la cromodinámica cuántica, los quarks llevan un nuevo tipo de carga, llamada color, que no tiene nada que ver con el color ordinario, y esas cargas generan un campo de color (de ahí el nombre cromodinámica). El cuanto del campo, y el transmisor de la fuerza fuerte, es el gluon. Como los fotones que transmite la fuerza electromagnética, un gluon es masa. Pero a diferencia del fotón, un gluón está cargado. Genera su propio campo de color, ejerce su propia fuerza fuerte e inerta con otros gluones. Lleva una vida rica.

Se puede pensar que el campo de color, como el electromagnético, tiene dos componentes: llamarlos color eléctrico y color magnético. Una carga de color de movimiento rápido, los gluones se mueven a la velocidad de la luz, genera un campo magnético de color fuerte. Los gluones son como pequeños imanes dipolares. Los gluones que rodean a un quark se alinean paralelos a su campo de color, como lo harían los imanes, y así, en lugar de debilitarlo, como las partículas virtuales hacen el campo de un electrón, lo fortalecen. Bloquean el quark, amplificando su campo. Aquí la analogía de la lámpara ya no funciona: el quark es una bombilla tenue que de alguna manera se vuelve más brillante fuera de la sombra.

Eso es lo que mantiene unido a un protón, y eso es lo que le da una extraña estructura interna. Si un quark logra entrar en la nube de gluones de otro, se siente solo una atracción débil. Pero cuanto más lejos se aleja, más se siente la atracción añadida de los gluones—gluones emitidos por los quarks, gluones emitidos por otros gluones, gluones que se materializan en pares virtuales de quark-antiquark, que intercambian más gluones. «Los quarks lo activan todo, pero una vez que comienza, es un proceso muy poderoso, porque los gluones interactúan», dice Wilczek. «Es una especie de proceso desbocado.»

En 1974, De Rújula, Politzer, Wilczek y algunos otros físicos propusieron esta gluonización del protón y sugirieron cómo podría medirse algún día. Dos décadas después, los científicos de HERA comenzaron a hacer precisamente eso. HERA es un acelerador en forma de anillo, a casi cuatro millas a la redonda, en el que electrones que hacen 47.000 vueltas por segundo se estrellan contra protones que van en la otra dirección. Cuanto mayor es la energía de la colisión, más profundo puede penetrar un electrón en un protón antes de ser desviado. Al medir cómo se desvía el electrón en millones de colisiones, los físicos pueden recopilar información sobre los componentes internos que están haciendo la desviación. Es como tomar una foto del interior de un protón, dice Wilczek, píxel por píxel, y los resultados se ajustan a la propuesta que él y sus colegas hicieron hace décadas.

«Es solo en el nivel más crudo que un protón está hecho de tres quarks», dice Wilczek. «Cuando miras de cerca y te metes dentro de estas nubes y empiezas a ver la estructura básica, ves que en su mayoría es pegamento.»

Lo que hace aún más interesante la pregunta de cómo el universo logró diseñar tal cosa.

Visitar un laboratorio de física de partículas es sorprenderse por un contraste de escala entre la pequeñez de los objetos estudiados y la inmensidad de los recursos—personas, maquinaria, potencia informática, energía eléctrica, espacio, dinero—que se le dedican. (Si esa infraestructura parece un alto precio a pagar por la información sobre el origen del universo, considere que la Web, diseñada para ayudar a los científicos a comunicar enormes archivos de datos, es una creación del CERN. El CERN consume casi tanta electricidad como la ciudad de Ginebra, su vecina. El acelerador más grande del CERN, el Gran colisionador de Electrones y Positrones, ocupa un túnel circular a 17 millas a la redonda. En los próximos años será desmantelado y reemplazado por un acelerador aún más potente, el Gran Colisionador de Hadrones, que recreará la energía que existía una trillonésima de segundo después del Big Bang. (Los hadrones son partículas nucleares, como los protones, que están hechos de quarks y gluones.) Para hacer un plasma de quark-gluón, no es necesario retroceder tanto en el tiempo, el primer microsegundo bastará, por lo que necesita un acelerador menos potente.

Aún así, el Sincrotrón de Súper Protones en el CERN está a más de cuatro millas a la redonda. Está alojado en un túnel que se encuentra a 300 pies bajo tierra, y en ese túnel, dentro de un tubo de aluminio de solo unas pulgadas de ancho, los núcleos de plomo son acelerados por imanes al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz. A continuación, se los guía hasta la superficie y se adentran en una inmensa sala similar a una fábrica, de 300 yardas de largo. El tubo de aluminio se bifurca en diferentes detectores, donde los núcleos de plomo, cada uno de los cuales consta de 208 protones y neutrones, los gemelos eléctricamente neutros de protones, se rompen en un trozo de lámina de plomo de solo unos cientos de micrómetros de espesor.

Lo que sucede después, en teoría, es simple: La colisión crea una bola de fuego lo suficientemente intensa como para derretir los protones y neutrones. Los quarks y gluones circulan libremente, como lo hacen en el interior de un protón, pero ahora sobre una región que tiene muchos protones de ancho, formando un plasma de quarks y gluones. «Si se ejecuta la película del Big Bang hacia atrás, se vuelve más y más densa, más y más caliente», dice Reinhard Stock de la Universidad de Frankfurt, quien ayudó a diseñar uno de los detectores del CERN, » y sabemos que todas las estructuras enlazadas se rompen cuando su densidad de energía excede su energía de enlace.»La cromodinámica cuántica exige que un plasma de quarks y gluones exista a una cierta densidad de energía,» pero hay que demostrar que existe», dice Stock. «Y es por eso que hemos estado aquí durante los últimos 15 años.»

El problema es que la bola de fuego de laboratorio se expande rápidamente y se enfría rápidamente, al igual que la primordial. El plasma sobrevive por solo 10-22 de un segundo antes de que los quarks y gluones se condensen de nuevo en protones y otros hadrones. Lo que los físicos detectan en realidad es una pulverización de miles de partículas de este tipo que salen de la parte posterior de la lámina de plomo. En el detector de Stock, las partículas vuelan a través de una caja de gas argón del tamaño de una habitación, golpeando electrones de átomos de argón. Los contadores registran los electrones, y las computadoras reconstruyen las pistas de partículas, que revelan su identidad. Una vez que los físicos han analizado el diluvio de datos, cada colisión produce 10 megabytes de datos, y Stock y sus colegas han registrado millones de colisiones, pueden aprender algo sobre la bola de fuego productora de plasma.

En los últimos años, los detectores de Stock y otros del CERN han confirmado que las bolas de fuego son lo suficientemente calientes y densas como para producir plasma de quark-gluón. Han encontrado un exceso de partículas que contienen quarks «extraños» y una escasez de partículas que contienen «encanto», ambos efectos secundarios predichos por la cromodinámica cuántica. (Los quarks extraños y los quarks encantadores son tipos exóticos que no se encuentran en partículas ordinarias.) Todo equivale a un caso poderoso que el CERN ha estado creando plasma de quark-gluón – pero no equivale a una prueba. «El problema es que no han podido observarlo directamente», dice Tom Ludlam, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven.

El Colisionador Relativista de Iones Pesados de Brookhaven, que está programado para comenzar a hacer física este verano, colisionará núcleos de oro a 10 veces la energía posible en el CERN y, por lo tanto, alcanzará temperaturas que permitirán que un plasma de quark-gluón sobreviva un pequeño momento más. A medida que los quarks se enfrían desde un billón de grados, deberían emitir radiación de calor, en forma de fotones de rayos gamma. Esa es la señal más directa posible del plasma de quark-gluón, y el colisionador de Brookhaven debería ser capaz de detectarla. Puedes considerarlo como el destello de luz que el universo emitió cuando nacieron todos sus protones.

Incluso los científicos de Brookhaven no podrán finalmente responder a la pregunta de dónde vienen los protones. Un misterio central permanecerá. Dentro de un protón, como los gluones van y vienen, como los quarks y antiquarks van y vienen en sus innumerables enjambres, un número permanece constante: Siempre hay tres quarks más que antiquarks. Esos son los quarks que, «en el nivel más crudo», como dice Wilczek, conforman el protón. ¿Por qué son materia y no antimateria? ¿Por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria? La respuesta va más allá de la cromodinámica cuántica. Un ligero desequilibrio entre quarks y antiquarks, si Wilczek y otros teóricos tienen razón, ya estaba presente en el plasma primordial de quarks y gluones. Comprender su origen requerirá aceleradores que alcancen energías aún más altas, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Requerirá nuevos tipos de teorías, algunas de las cuales, desafortunadamente, podrían exigir que comencemos a pensar en partículas como pequeños bucles de cuerdas y que el universo tenga muchas más dimensiones que las cuatro que conocemos y amamos.

A medida que la física evoluciona, la imagen del protón que nos ha dado la cromodinámica cuántica puede llegar a parecer tranquilizadoramente concreta y sólida, aunque sólida es justo lo que no es un protón. Volar en uno, si pueden imaginarse hacerlo, montando la fuerza fuerte en una especie de planeador subnuclear, sería como caer a través de la atmósfera de la Tierra. La atmósfera superior del protón es un cirro delgado de pares virtuales de quark-antiquark; forman un escudo para lo que se encuentra debajo. A medida que caes más allá de ellos, la atmósfera se vuelve más y más densa, las nubes más y más gruesas. Su avión es golpeado con frecuencia y fuerza crecientes por destellos de rayos de color: los gluones. Y luego, tal vez cuatro quintas partes del camino a través de su descenso, emergen de la cubierta de nubes. El viaje está más tranquilo ahora. Los rayos no han desaparecido; se han fusionado a una lámina continua, y de alguna manera te sientes a la vez ligero e inmune a todas las fuerzas. Ahora estás cerca del centro del protón, completamente atrapado mientras caes hacia la asíntota de la libertad absoluta, y lo estás encontrando . . . no mucho.

«Cuanto más se mira, más se descubre que el protón se disuelve en muchas partículas, cada una de las cuales transporta muy, muy poca energía», dice Wilczek. «Y los elementos de la realidad que desencadenaron todo, los quarks, son estas pequeñas cosas en medio de la nube. De hecho, si sigues la evolución a distancias infinitamente cortas, la carga de activación va a cero. Si realmente estudias las ecuaciones, se vuelve casi místico.»