STAR cuestiona el modelo de quarks del protón

Cuando dos núcleos atómicos chocan con suficiente fuerza, los cuarks de sus protones colisionan entre sí. El número bariónico, la propiedad física que distingue a un protón de un neutrón, no puede desaparecer: tiene que acabar en algún lugar. En dos pruebas publicadas en Science el 13 de agosto de 2026, la colaboración STAR, en un acelerador estadounidense, observó que no se desplaza como predicen los modelos que lo vinculan a los cuarks incidentes (Science). El 6 de octubre, Nature calificó el trabajo como la prueba experimental más sólida hasta la fecha de que el número bariónico puede desplazarse asociado a una estructura del campo de gluones (Nature).

Un libro de cuentas que siempre cuadra

El número bariónico se parece a un libro de cuentas que debe cuadrar después de cada operación, por violenta que sea la colisión. Un protón o un neutrón cuenta como +1, un antiprotón como −1 y cada cuark como un tercio, de modo que los tres cuarks de un protón suman exactamente uno (Science). Con una contabilidad tan sencilla, parece lógico atribuir esa propiedad a los cuarks.

Los gluones, las partículas que transmiten la fuerza fuerte, mantienen unidos a los cuarks, como si unas cuerdas elásticas sujetaran tres canicas. El campo de gluones que conecta los tres cuarks de un protón puede imaginarse como tres hilos que convergen en un punto, con forma de Y (Brookhaven).

Algunos teóricos sostienen que el número bariónico pertenece a ese punto de unión, llamado unión, y no a los cuarks situados en sus extremos. Si tienen razón, una colisión podría enviar la propiedad en una dirección y los cuarks originales en otra.

La carga como marcador

Distinguir entre las dos hipótesis es difícil porque los brazos de la unión terminan siempre en cuarks. STAR es una gran colaboración que incluye varias universidades europeas (PubMed). Para rastrear el recorrido, utilizó la carga eléctrica como marcador: los cuarks tienen carga y los gluones, ninguna.

El equipo comparó colisiones entre dos núcleos casi idénticos. El rutenio-96 y el circonio-96 tienen 96 nucleones cada uno —protones y neutrones—, pero el rutenio cuenta con 44 protones y el circonio, con 40. En 2018, STAR registró unos 2.000 millones de colisiones de cada tipo (STAR). El número bariónico inicial es el mismo y solo cambia la carga, así que cualquier diferencia entre el destino del número bariónico y el de la carga debería quedar a la vista.

STAR midió dos diferencias entre ambos tipos de colisión: cuánto variaba el número bariónico que llegaba al centro de la colisión y cuánto variaba la carga que alcanzaba esa zona. Ajustó la comparación para que el resultado fuera exactamente 1 si el número bariónico se desplazaba solo con los cuarks incidentes. En las colisiones más frontales, el valor medido fue 1,84 (STAR paper). La mayor fuente de incertidumbre son los neutrones, que el detector no puede ver y cuyo número el equipo tuvo que estimar. Aun así, llegó al centro mucho más número bariónico del que podía explicar la carga.

Una segunda colisión apunta en la misma dirección

La segunda prueba se hizo con núcleos de oro y colisiones más suaves. STAR seleccionó sucesos en los que un fotón de un núcleo chocaba contra el otro y midió cómo se distribuía a lo largo del eje del haz el exceso de protones sobre antiprotones. Las simulaciones habituales de estos sucesos predecían una distribución más pronunciada y más desplazada en el sentido del avance. La distribución observada coincidió con el intervalo esperado si las uniones transportan el número bariónico (STAR paper). Esa muestra permitía comparar con la teoría la forma de la distribución, pero no el número absoluto de protones.

Físicos ajenos a la colaboración piden cautela. Chun Shen dijo a Science News que los resultados favorecen la hipótesis de las uniones, pero todavía no son una «prueba irrefutable»; Zi-Wei Lin señaló que la propia unión es una conexión que involucra cuarks, por lo que hablar de «gluones en lugar de cuarks» simplifica demasiado (Science News).

El futuro Electron–Ion Collider podría ofrecer una prueba más precisa. Una propuesta revisada por pares en 2024 planteó comparar cómo se desplazan el número bariónico y la carga usando allí blancos de rutenio y circonio (EPJ C).

La unión se infiere a partir de los restos de las colisiones; nadie la ha observado directamente. STAR sí observó que ambas pruebas se apartan de los modelos en los que el número bariónico viaja solo con los cuarks incidentes. Cualquier explicación de cómo conserva un protón su identidad durante una colisión tendrá que dar cuenta de ese resultado.