Pongámonos serios otro rato. Los gluones son partículas, pero son partículas de un tipo especial, diferente de los protones, neutrones y electrones. Las partículas transmisoras no pertenecen a la misma categoría que las partículas entre las que transmiten. Es como el repartidor que nos trae los paquetes a casa: es una persona, igual que nosotros, pero él hace de repartidor y nosotros de clientes. Por favor, no queráis saber quién le trae los paquetes a él: cualquier metáfora es imperfecta. Los muy quisquillosos pueden pensar que a un repartidor no le reparten porque está repartiendo durante el horario de reparto. (¡Poco ha durado la seriedad!). El caso es que, gracias a esta distinción entre tipos de partículas, se aleja la amenaza de que haya que volver a introducir una nueva partícula para transmitir la fuerza entre quarks y gluones.
Vayamos a la visión global. Para poner orden en aquel zoológico de partículas, los físicos inventaron una estructura (unas jaulas, ya que estamos en el zoo) gracias a las cuales las mantienen ordenadas. Esa estructura es lo que se conoce como Modelo estándar de partículas, y en ella la primera distinción que encontramos, la más básica, es entre partículas del tipo de los electrones, protones o neutrones, y partículas de tipo de los gluones. A las primeras les llaman fermiones, y yo diría que son las que corresponden mejor a lo que cualquier persona consideraría que es una partícula. A las segundas les llaman bosones, y su misión en la vida puede describirse diciendo que son mediadoras de fuerza, sea eso lo que sea.
Si tanto los fermiones como los bosones son partículas, ¿qué diferencia hay entre unos y otros, aparte de sus funciones? De entrada, uno (yo, al menos) pensaría que tal vez los bosones no tengan masa, porque solo se dedican a intercambiar fuerza, mientras que los fermiones han de tenerla. Aunque después de pensar esto, uno (yo, al menos) se preguntaría qué sentido tiene decir que los bosones son partículas si no tienen masa. Entonces… ¿la tienen o no la tienen?
No será fácil. La verdad es que hay bosones con masa y bosones sin masa. El gluón no la tiene, y tampoco el fotón, que es el bosón que transporta la fuerza electromagnética y que “compone” la luz. Pero hay bosones que sí la tienen. Y no solo un poquito. El bosón de Higgs, que vendría a ser la celebrity de los bosones (podrían haberlo llamado Bilbo Bosón), tiene una masa que es unas doscientas cincuenta mil veces la de un electrón. Eso es mucha masa para una partícula. ¿Y para qué quiere tanta masa? Para repartirla, claro. Es un bosón. Pero… ¿No era fuerza lo que repartían? Bueno. Maticemos. La fama de que goza el bosón de Higgs no es inmerecida, dejando de lado el despliegue mediático sobre los intentos de los científicos por violar su intimidad pillándolo en un descuido. Resulta que es único en su especie. Todos los demás bosones son mediadores de fuerza, mientras que él es mediador de masa. El bosón de Higgs reparte masa como el croupier reparte cartas. Quien interactúa con él (como los fermiones) adquiere masa, mientras que quien no lo hace (como fotones y gluones) no la tiene. Algunas voces, ciertamente minoritarias pero más solventes que la mía, sugieren obviar la existencia de esta partícula y decir simplemente que lo que genera la masa es la interacción de los fermiones con un campo, el llamado campo de Higgs. Pero a estas alturas ya conocemos la irresistible atracción que ejercen las partículas sobre los físicos. ¿Por qué no llamarlo partícula?
Vale, aceptemos el bosón como partícula. Y aceptemos (o hagamos que lo parezca) que algunos, como el de Higgs, tienen masa ¿Cuál es la diferencia, entonces, entre fermiones y bosones? Dos cosas. La primera es un detalle que tiene mucha importancia para los físicos pero ninguna para mi argumentación: los bosones tienen espín entero y los fermiones lo tienen semientero. Ahí lo dejo. Solo añadiré, para que nadie piense que le estoy ocultando algo importante, que los físicos no tienen explicación de por qué es así. La segunda, en cambio, merece que hurgue un poco en ella. Un poco, ahora, y mucho, después. Podemos pensar en los fermiones como individuos serios y un poco huraños, que guardan las distancias; incluso, que marcan territorio a su alrededor. Los bosones, en cambio, pueden ser muy, pero que muy, amigos. Pueden abrazarse muy estrechamente si se les da un motivo. Técnicamente esta diferencia de actitudes se explica en base al llamado Principio de exclusión de Pauli (no confundir con el “efecto Pauli”, que dicen que se producía cuando Wolfang Pauli, creador del principio que lleva su nombre, entraba en un laboratorio, y su sola presencia provocaba que inmediatamente se averiase algún aparato). El Principio de exclusión de Pauli establece que dos fermiones del mismo tipo, por ejemplo, dos electrones, que formen parte del mismo sistema, por ejemplo, el mismo átomo, no pueden encontrarse en el mismo estado cuántico simultáneamente. Esto es la causa de que los electrones que giran alrededor del núcleo de un átomo no puedan hacerlo todos en la misma órbita. Tienen que girar en órbitas concéntricas diferentes, como las capas de una cebolla, y en cada una de estas capas solo puede haber un máximo de dos. ¿Qué por qué dos y no uno, como debería seguirse de Principio de exclusión? Por aquella propiedad misteriosa que antes había dejado de lado, el espín. Seguiré dejándola de lado, pero diré que es una propiedad con signo: puede ser positivo o negativo. En una misma capa puede haber dos electrones sin violar el Principio de exclusión, porque serán iguales en todo menos en una cosa: el espín de uno será positivo y el del otro será negativo.
Los bosones, en cambio, no se excluyen, y eso hace posible la existencia de fenómenos como el láser. Un láser está formado por una enorme cantidad de fotones (recordemos que son bosones) viajando enormemente concentrados en un rayo muy fino. La concentración es tan grande que transportan una energía capaz de cortar el metal. Los electrones, fermiones como son, no estarían dispuestos a pasar por el tubo. Si alguien intentara concentrarlos tanto, llegaría un punto en que le dirían: “De aquí no paso, tengo mis principios”. Al menos uno: el de Pauli.
Bueno, ya hace rato que tenemos respuesta a la primera pregunta: ¿Por qué están juntos los protones en el núcleo, pese a que deberían repelerse a causa de sus cargas iguales? Y la respuesta es: por el residuo de interacción fuerte que se produce en los quarks que los forman, y que es transmitida por los gluones. Entonces, ¿por qué sigo hablando de partículas y de sus intimidades en lugar de dar por respondida a la primera pregunta y pasar ya a la segunda? Tengo mis razones. Dos, concretamente. La primera es que esto va de partículas, así que cualquier excusa es buena para conocerlas un poco mejor. ¡Y hay todo un zoológico! Y la segunda es que todavía queda un detallito para completar la respuesta a la primera pregunta, y ese detallito me dará pie para profundizar todavía un poco más en el intríngulis de las partículas y para explicar algo que a mí, cuando me enteré, me dejó con la boca abierta. Y todavía la tengo abierta. Solo en sentido figurado, afortunadamente.
Ahí va el detallito. Sabemos que la interacción fuerte entre los quarks es mediada por los gluones. Sabemos que los físicos están empeñados en que toda fuerza ha de ser transportada por alguna partícula, y que las partículas que transportan fuerzas son bosones. Sabemos que la interacción fuerte residual aflora más allá de la “superficie” (si son partículas deberían tenerla) de los neutrones y protones y, mediando ente ellos, los mantiene unidos. ¿Qué partículas —qué bosones— transportan esa fuerza residual? ¿Gluones, también? ¡Demasiado fácil! Vuelvo a recordar que tenemos todo un zoológico de partículas a nuestra disposición. Los portadores de la interacción fuerte residual son los mesones, y no son todos iguales, sino que forman una amplia familia. Y ahora viene lo bueno. El Modelo Estándar de Partículas consiguió poner orden el zoológico de partículas a base de considerar que solo hay unos pocos fermiones genuinamente elementales; todos los demás están formados por quarks. Así pues, los mesones son bosones, puesto que portan fuerza, pero están formados por quarks, que son… ¡fermiones elementales! Sí, lo que habéis leído. Hay dos tipos de partículas, fermiones y bosones, que se diferencian en el espín y en la obediencia o no al principio de exclusión de Pauli. Y resulta que combinando fermiones podemos obtener bosones. ¿Siempre? Siempre, no. La combinación de dos quarks produce un bosón, la combinación de tres quarks produce un fermión. En general: un número par de quarks produce un bosón, un número impar, un fermión. Esta alternancia aparentemente caprichosa se basa en el espín. Recordemos que un fermión tiene espín semientero, mientras que un bosón lo tiene entero. Si juntamos dos semienteros, tenemos un entero, y por tanto un bosón. Si juntamos tres, tenemos un entero y medio, o sea que volvemos a tener un semientero, y por tanto otro fermión. Por alguna razón misteriosa, un espín semientero obliga a cumplir el principio de exclusión, mientras que un espín entero permite escapar a la obligación de cumplirlo y capacita a la partícula para portar fuerza. ¡Vaya fauna la de este zoo!
Bueno, ahora sí, ahora ya tenemos la respuesta completa. En el interior del núcleo del átomo hay, en última instancia, quarks y gluones, que son partículas elementales. Los quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de gluones, que transportan entre ellos la fuerza enorme de la interacción nuclear fuerte. Estas agrupaciones de quarks forman los neutrones y protones, que por tanto ya no son partículas elementales. Y estas partículas compuestas se mantiene unidas las unas a las otras porque intercambian mesones, los cuales transportan el residuo de la interacción nuclear fuerte que ha sobrado de mantener unidos los quarks para que las formen a ellas mismas. A lo que hay que añadir el detallito de que los mesones tampoco son partículas elementales porque están, ellos mismos, formados por quarks. Bueno, está claro, ¿no? No era tan difícil. Pasemos a la segunda pregunta.