El Tamiz

En la tercera entrega de esta serie (después de hablar del electrón y el positrón) vamos a centrarnos en otra partícula “normalita”: el protón.

En primer lugar, el protón no es una partícula elemental. Recuerda cómo, al hablar del electrón, ya dijimos que algunas partículas que suelen llamarse elementales no lo son - el protón es una de ellas. Unos párrafos más abajo veremos qué hay “dentro”.

A pesar de que hoy sabemos que el protón no es una partícula fundamental, puede clasificarse igual que hicimos con el electrón, dependiendo de sus características. Una vez más, vamos con nombres exóticos:

Al igual que el electrón, el protón es un fermión, es decir, no puede haber dos protones en el mismo estado cuántico. En otras entradas hablaremos de los bosones, que se comportan de manera muy diferente y son los responsables de las interacciones entre las partículas materiales. Los fermiones son los que componen la materia que conocemos, de ahí que tanto el electrón como el protón sean fermiones.

Además, el protón es un hadrón. Esto quiere decir que se ve afectado por la fuerza nuclear, que es la que mantiene unidos a los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos. Si no fuera por ella, estas partículas nunca estarían juntas (los protones se repelerían por tener carga del mismo signo) y no existirían los átomos. Otros hadrones son los neutrones y los mesones.

Dentro de los hadrones, el protón es un barión, es decir, está formado por tres quarks, como el neutrón…y aquí es donde llegamos a la verdadera naturaleza no elemental del protón.

Aunque dedicaremos una entrada (probablemente la siguiente) a los quarks, baste decir por ahora que un protón se compone de tres quarks (como el neutrón), que le confieren sus propiedades. Los que componen el protón son dos quarks arriba y un quark abajo…sí, suena raro pero ésos son los nombres: recuerda cuando dijimos que la carga “positiva” y “negativa” era arbitraria. Como quarks hay bastantes, hacen falta más de dos nombres y los físicos se han inventado éstos tan imaginativos.

De modo que, si pudieras ver un protón “por dentro”, verías tres quarks unidos unos a otros por la fuerza nuclear fuerte. Si sumas la masa de los tres quarks obtienes, por supuesto, la masa observada del protón, y si sumas sus cargas eléctricas (2/3 de la carga del electrón para los quarks “arriba” y -1/3 para el quark “abajo”) obtienes 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1, es decir, la carga eléctrica del protón (que es opuesta a la del electrón).

Curiosamente, la Teoría de Gran Unificación (que es un modelo teórico que unifica las fuerzas electromagnética y nuclear) predice que el protón no es una partícula estable…debería desintegrarse al cabo del tiempo (el electrón, por ejemplo, es estable de acuerdo con la misma teoría).

Sin embargo, nadie ha visto hasta ahora la desintegración de un protón en otras partículas. De hecho, los experimentos realizados hasta el momento han demostrado que, si el protón al final resulta ser inestable, su vida media debe ser al menos de 10³⁵ años…¡cuatrillones de veces más que la edad del Universo!

De modo que puede que los protones se desintegren, pero que aún no haya dado tiempo a que muchos lo hayan hecho, de modo que no hemos visto a ninguno desintegrarse en otras partículas porque el Universo sea demasiado joven aún…¿no es fascinante?

También puede ser que los protones sean estables y la Teoría de Gran Unificación esté equivocada. De hecho, la otra predicción observable “fácilmente” de la Teoría (los monopolos magnéticos) tampoco ha sido comprobada hasta ahora.

En cualquier caso, recuerda que un protón es una partícula compuesta por tres quarks, es un fermión, un hadrón y dentro de éstos un barión. El protón “siente” todas las fuerzas fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Y, por supuesto, la existencia de los protones es la que hace que existan átomos y nosotros estemos aquí.

La antipartícula del protón es el antiprotón…no hay nombres exóticos en este caso. Y, por si te lo estás preguntando, sí: si coges un antiprotón y lo filmas en una película, le cambias la carga, pones el Universo del revés y luego la película hacia atrás, es indistinguible de un protón. La física fundamental es escalofriante y fascinante al mismo tiempo, al menos para mí. Los antiprotones fueron observados por primera vez en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (quienes, por cierto, recibieron el Premio Nobel en 1959 por ello).

Ya que hemos mencionado los quarks, en la próxima entrega nos dedicaremos a ellos antes de seguir con otra partícula “normal”.

El texto de Esas maravillosas partículas - El protón , por Pedro Gómez-Esteban, salvo donde se mencione explícitamente, está publicado bajo Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.