La materia que forma estrellas, planetas y cuerpos humanos representa solo una pequeña fracción del Universo

Hace poco aprendimos que los quarks representan el nivel más fundamental de la materia conocida (bariónica). Estos bichos son partículas, sin estructura interna y, de acuerdo con el Modelo Estándar, hay 6 sabores distintos, organizados en 3 generaciones, las cuales determinan las propiedades subatómicas de todo.

Una de sus características más notables es que su carga eléctrica es fraccionaria y una propiedad adicional llamada “carga de color”, que, aunque usted no lo crea, no está relacionada con el color visual, sino con la interacción que gobierna la fuerza nuclear fuerte, la más intensa de las fuerzas fundamentales conocidas.

Este comportamiento conduce al fenómeno conocido como confinamiento, el cual se puede apreciar cuando se intenta separar a dos quarks. La energía del campo aumenta tanto que se crean nuevos pares de quark-antiquark, impidiendo que existan de manera aislada.

Gracias a este mecanismo, los quarks no aparecen libremente, pero sí formando estructuras estables, estas combinaciones dan origen a partículas compuestas, como protones y neutrones, que constituyen la base física de los núcleos atómicos y, en última instancia, de toda la materia visible en el Universo.

La arquitectura nuclear

Básicamente, la materia bariónica son partículas formadas por la combinación de 3 quarks, por ello constituyen el núcleo de la materia estable. Por ejemplo, el protón está compuesto por dos quarks up y uno down, mientras que el neutrón contiene dos quarks down y uno up.

Aunque parezca una descripción sencilla, la masa de los bariones encierra una de las ideas más profundas de la física moderna. Los quarks up y down aportan apenas una fracción mínima de la masa total medida experimentalmente en protones y neutrones.

La mayor parte de la masa bariónica surge de la energía asociada al movimiento relativista de los quarks y también al intenso campo de gluones que los mantiene confinados. Es decir, es una manifestación directa de la equivalencia entre masa y energía descrita por la famosa ecuación de Einstein.

Esta dinámica interna explica el porqué la materia ordinaria es como es a gran escala, lo cierto es que la estabilidad del protón y el equilibrio energético alcanzado dentro del núcleo permiten la existencia prolongada de átomos, moléculas, estrellas y estructuras complejas en grandes escalas de tiempo.

Una fracción verdaderamente pequeña

Si pudiéramos observar el Universo en todo su conjunto, el papel de los bariones parecería sorprendentemente ínfimo. Además, si tomamos en cuenta que toda la materia compuesta por protones y neutrones, incluidas galaxias, planetas y seres vivos, representa alrededor del 5 % del contenido total del cosmos.

Como hemos escrito anteriormente, la mayor parte del Universo está formada por componentes invisibles. La materia (mal llamada) oscura, que constituye cerca de una cuarta parte del total, no interactúa con la luz, pero revela su presencia a través de su influencia gravitacional sobre galaxias y cúmulos galácticos.

Y la, aún más, desconcertante energía oscura, responsable de aproximadamente dos tercios del contenido total del Universo, con un efecto que se manifiesta como una expansión acelerada de todo el espacio-tiempo, contrarrestando la atracción gravitacional de toda la materia conocida.

Este panorama redefine nuestra perspectiva cósmica y aunque la física de quarks y bariones explica todo lo que podemos tocar y observar directamente, el destino y la estructura a gran escala del Universo están dominados por componentes cuya naturaleza sigue siendo desconocida.

Evidencia experimental y fronteras

Lo más increíble es que nosotros mismos podemos acceder al conocimiento detallado de quarks, gluones y bariones a través de compilaciones experimentales rigurosas como las del Particle Data Group, que reúne resultados de experimentos realizados en los principales aceleradores de partículas del mundo.

En el ámbito cosmológico, misiones espaciales como Planck y WMAP han permitido medir, con gran precisión las fracciones tanto de materia bariónica, como de materia oscura y energía oscura del Universo y de hecho, lo siguen haciendo.

Al combinar los datos experimentales con modelos teóricos cosmológicos, se pueden conectar la física de partículas con la evolución del cosmos, tanto desde los primeros instantes después del Big Bang hasta la formación de galaxias, estructuras a gran escala y por qué no, los ojos del ser amado.