Quan vas d’excursió acostumes a pensar que la pujada que estàs encarant serà l’última, només per descobrir que tot seguit n’hi ha una de nova. Al final és un seguit d’anar esperant veure el final al turó de darrere del turó. Doncs amb la física de partícules passa una cosa similar. Cada vegada que penses que entens un model, apareix un nou nivell de complexitat. Cada vegada més interessant, però també cada vegada més difícil d’entendre.

Fa molt que sabem que la matèria està feta d’àtoms, i que els àtoms estan formats per un nucli, on hi ha protons i neutrons, i uns electrons, més petits movent-se al voltant. Els electrons tenen càrrega negativa, els protons la tenen positiva i els neutrons no tenen càrrega. A més, protons i neutrons són “grans” mentre que els electrons són “petits”. Fins aquí semblava fàcil, però això aviat es va complicar.

Les dimensions grans de protons i neutrons feien pensar als físics que dins podrien tenir una estructura oculta. I a la segona meitat del segle XX es va proposar, i després demostrar que efectivament, estan fets per partícules encara més petites i que van en grups de tres. Són els famosos quarks.

De quarks n’hi ha de sis tipus, que s’agrupen de dos en dos. Els van anomenar dalt (u), baix (d), estrany (s), encant (c), fons (b) i cim (t). Les lletres són, és clar, pels noms en anglès (up, down, strange, charm, bottom i top). Aquests quarks tenen càrregues elèctriques fraccionades. Per exemple, un protó està format per dos quarks u, que tenen una càrrega de 2/3 cada un i un quark d, que té una càrrega de -1/3. La suma total és de 3/3, és a dir +1. Per això el protó té una càrrega positiva.

I com es mantenen units els quarks? Doncs amb unes partícules anomenades gluons que interaccionen entre ells i que tenen un seguit de propietats que als físics els encanten, però que a la resta d’humans ens deixen marejats.

Tot plegat és estrany, però encara comprensible. Tres quarks, units per gluons que formen un protó o un neutró o altres partícules més estranyes, però totes generades a partir de diferents combinacions de quarks. Per desgràcia, quan es va calcular la massa d’aquests quarks es va veure que no n’hi havia prou per justificar la massa del protó. Allà dins hi havia més coses.

Resulta que també hi ha una bona quantitat d’antimatèria, un nom cridaner, però que només fa referència a partícules amb propietats inverses a les de la matèria. Per exemple, un antielectró és un electró amb càrrega positiva i un antiquark és un quark amb les propietats inverses al de la matèria normal.

Sabem que la matèria l’antimatèria s’aniquilen mútuament i de manera immediata. Però resulta que també es poden formar espontàniament sempre que la formació vagi equilibrada. Si es forma un electró, també ha d’aparèixer un antielectró. La càrrega total s’equilibra i com que immediatament es desintegraran mútuament, aquí sembla que no hagi passat res. Amb els quarks passa el mateix. Es poden formar parells quark-antiquark que s’aniquilaran tot seguit. Estrany? Ja havia avisat!

Doncs dins del protó hi ha una sopa de parelles quark/antiquark que es van formant i desintegrant constantment. Com que tots van aparellats, no modifiquen la càrrega ni altres característiques. Si ens sembla que el protó està fet per dos quarks u i un d, és perquè aquests són els únics desaparellats i que no es desintegren.

De manera que allò del protó representat com una boleta amb càrrega positiva per formar el nucli de l’àtom pot servir com a primera aproximació, però és una simplificació molt i molt simple. I el tema encara amaga sorpreses. Ara han descobert desequilibris en les proporcions en què els diferents quarks es formen dins del protó. Hi ha diferents teories per explicar-ho, però el que està clar és que segurament encara tindrem alguns nivells més de complexitat. Planyo als estudiants que intentin entendre un protó d’aquí a dues o tres generacions!