Explicar qué es el color de los quarks es en realidad algo complicado. Para entenderlo, es necesario ver ciertos conceptos: el concepto de fermión, el de espín y el de carga.
Empecemos por los dos primeros: fermión y espín. Los fermiones son partículas subatómicas que tienen una propiedad llamada espín, o giro en español, con un valor semientero. Es decir, un valor fraccionario. Los quarks son fermiones porque tienen un espín con un valor de +½ o -½.
Por otro lado, el espín es la cantidad de momento angular que tiene una partícula subatómica o el núcleo de un átomo. Ahora, como explica Henry Reich, creador del portal «One minute physics» y magíster en física teórica por el Instituto Perimeter de Física Teórica de Canadá, el momento angular es la cantidad que resulta de la multiplicación de tres cosas: la velocidad en la que un objeto gira, la distancia entre el objeto que gira y su punto de rotación y la masa del objeto. Veamos un ejemplo para entenderlo mejor.
Digamos que tenemos una rueda de bicicleta girando. Asumamos que la rueda pesa dos kilos, la distancia entre esta y su punto de rotación es de 0.6 metros, o sea 60cm., y la velocidad a la que gira es de 5.6 metros por segundo. Para hallar el momento angular de la rueda, solo debemos multiplicar estos tres valores. Así, si multiplicamos 0.6 x 5.6 x 2, tendremos un momento angular de 7 kilos por metro cuadrado por segundo.
Así, el momento angular es una propiedad que tienen los objetos en rotación. Las partículas subatómicas tienen esta propiedad. Sin embargo, reciben el nombre especial de espín porque, si bien tienen momento angular, en realidad no están rotando. ¿Por qué entonces hablamos como si tuvieran esta propiedad? Porque, a pesar de no rotar, se comportan como si lo hicieran. Si bien es algo extraño, en el mundo de lo subatómico, lo raro y contraintuitivo es algo usual.
Por su lado, el concepto de carga se refiere a la carga electromagnética que puede tener una partícula. Esta carga puede ser negativa, como la que tienen los electrones, o positiva, como la que tienen los protones. Ambas partículas tienen el mismo valor de carga, pero una es negativa y la otra positiva. Los quarks también tienen carga. Por ejemplo, los down quarks tienen un tercio de la carga de un electrón en negativo y los up quarks tienen dos tercios de la carga de un electrón.
Con estos conceptos definidos, podemos explicar ahora qué significa la propiedad de color en los quarks o, como también la llaman, la carga de color de los quarks.
Como explica Don Lincoln, físico del Laboratorio Nacional Fermi de los Estados Unidos, en la primera etapa de desarrollo de la teoría de los quarks, los científicos propusieron solo tres sabores de quarks: up, down y strange. Asimismo, no se propusieron reglas de cómo estos sabores podían mezclarse para formar otras partículas.
Así, en sus inicios, el modelo de los quarks permitía 10 combinaciones posibles de quarks, las cuales puedes revisar en el video de esta página.
Sin embargo, había un problema: el principio de exclusión de Pauli. El principio de exclusión de Pauli es un principio de la mecánica cuántica que establece que dos fermiones idénticos no pueden estar en el mismo sitio al mismo tiempo. Dado que los quarks son fermiones, este principio aplica para ellos. Así, según esta regla, dos quarks iguales no podrían encontrarse en la misma partícula. Veamos algunos ejemplos para entenderlo.
Digamos que tenemos una partícula compuesta por solo dos quarks. Asumamos que ambos son del mismo sabor; digamos que son dos up quarks. Al ser el mismo tipo de quark, el principio de exclusión podría prohibir que se mezclen. Sin embargo, como explica Lincoln, el espín nos puede ayudar. Uno de los quarks puede tener un espín positivo, lo que significa que gira en contra de las manecillas de un reloj. Por otro lado, el otro quark puede tener un espín negativo, por lo que rota en un sentido opuesto. Así, si bien tenemos dos up quarks similares, no son completamente iguales, por lo que no son afectados por el principio de exclusión de Pauli.
Lamentablemente, según Lincoln, esto no se cumple para las partículas generadas por tres quarks iguales. Si aumentamos un tercer up quark en nuestro ejemplo, no importa si su espín es de ½ o -½, igual estaría violando el principio de exclusión de Pauli.
Cuando se postuló la teoría de los quarks, esto no era un gran problema, pues los quarks fueron usados solo para explicar cómo se formaban los neutrones y protones. Ambos con combinaciones de al menos dos sabores diferentes de quarks. Sin embargo, en 1964 se encontró una partícula compuesta por tres strange quarks. Desde entonces, se han encontrado partículas con todas las combinaciones posibles de tres quarks. ¿Cómo fue posible explicar esto sin violar el principio de exclusión de Pauli?
La respuesta es la carga de color. De acuerdo con Lincoln, para explicar cómo podían convivir tres quarks del mismo sabor en una misma partícula sin violar el principio de exclusión, el físico Oscar Greenberg supuso que los quarks tenían una propiedad adicional que ahora llamamos color.
Según este modelo, los quarks tienen tres cargas diferentes aparte de la carga negativa o positiva que vimos antes. Ahora, si bien los quarks tienen estos tipos especiales de carga, las partículas formadas por ellos, como los neutrones y los protones, no las tienen. Por esta razón, el modelo de Greenberg debía explicar por qué estas cargas especiales desaparecen cuando tres quarks se juntan para formar otras partículas.
De acuerdo con Lincoln, por suerte tenemos un precedente histórico de cómo tres propiedades distintas pueden anularse entre sí. En 1891, el reconocido físico James Clark Maxwell se dio cuenta de que al proyectar luz roja, azul y verde combinadas, se tenía como resultado el color blanco. Así, tomando esta analogía, ahora los físicos llaman a los tres tipos de carga de los quarks como colores: rojo, verde y azul. Cada color representa un tipo de carga. Por otro lado, el color blanco, significa ausencia de color.
Con esta idea de tres cargas diferentes que se anulan, ya era posible explicar la convivencia de tres sabores de quarks en una misma partícula. Estos tres pueden convivir, ya que cada partícula tiene una carga de color distinta, por lo que no son quarks idénticos.
Cabe resaltar que no es que los quarks tengan efectivamente colores azules, verdes o rojos. En realidad es simplemente una nomenclatura que usan los científicos para referirse a estas propiedades que tienen los quarks. ¿Pero realmente existen estos tipos de carga especiales? Actualmente los científicos están bastante seguros de que efectivamente las cargas de color existen gracias a experimentos realizados.
