En la década de los años 30 del siglo XX la Física daba cuenta de la existencia de 3 partículas elementales: el electrón, el protón y el neutrón, y la Mecánica Cuántica ofrecía un modelo teórico sorprendente pero contrastado para explicar la estructura de la materia basada fundamentalemente en la interacción electromagnética, el principio de correspondencia entre onda y corpúsculo y los postulados de cuantización de la energía. Aunque el modelo existente era corraborado por el resultado de precisos experimentos, quedaba una gran pregunta por responder. ¿Por qué los protones y neutrones del núcleo atómico se mantienen unidos? ¿Por qué no se repelen los protones?
Para dar explicación al espectro contínuo de los electrones emitidos en la desintegración beta, Fermi postura la existencia del neutrino. Con el desarrollo de la tecnología se construyen los primeros aceleradores de partículas en los que se hacen colisionar bajo condiciones controladas partículas fundamentales y se observan las propiedades de las partículas resultantes: su masa se deduce de la energía liberada, su carga eléctrica se obtiene de la curvatura de su órbita al someterlas a un campo magnético,... En 1947, se descubre un triplete nuevo de partículas: el pión, el cuál puede presentar tres estados diferentes.
Los avances tecnológicos permitieron aumentar progresivamente el rango de energías con las que se producían las colisiones en los aceleradores de partículas y eso fue llevando al descubrimiento de más y más partículas. En la década de 1960 se habían descubierto así más de 100 nuevas partículas, a las que se denominaron hadrones (todas ellas se vería más adelante que estaban relacionadas con un mismo tipo nuevo de interacción: la interacción fuerte o hard interaction). A la técnica experimental para su detección se la denominó espectroscopía de hadrones.
Buscando patrones de similitud entre las propiedades de este nuevo elenco de partículas fundamentes que surgen en poco tiempo como los nuevos dioses del Olympo, los científicos empiezan a agruparlas y clasificarlas. Es ahí donde aparace un joven y brillante físico, Murray Gell-Mann, para poner orden en medio del caos. Gell-Mann, y de forma independiente y simultánea también el también físico Yval Ne'eman, empezó a clasificar a esas partículas en grupos de 1, 8, 10 y 27. De esos grupos, los de 8 eran los más relevantes y a fin de cuantas fueron los que le llevaron a postular la exitencia de los quarks. Gell-Mann denominó a ese método el camino óctuplo (The eightway path) en clara alusión al octuple sendero que conduce a la Iluminación descrito por el budismo (wikipedia).
El carácter polifacético de Gell-Mann, le llevó a desarrollar su conocimiento en ámbitos tan dispares como el estudio de los pingüinos y otras aves, el arte pre-colombino y el arte de América y la India, la protección del medio ambiente, el cambio climático, los recursos energéticos, la historia de las religiones, la lingüística o la cristalografía. Por sus conocimientos de cristalografía y los grupos de simetría, pudo establecer una analogía con los grupos de hadrones y lanzar la tesis de que esos deberían estar constituídos por otras partículas aún más fundamentales a las que denominó quarks (1964). Su modelo lanzaba a la luz la existencia de una nueva partícula compuesta por quarks, a la que se denominó "omega menos", la cuál se detectó ese mismo año en el acelerador de partícular de Brookhaven.
El desarrollo formal de la teoría que explicaba las interacciones entre los quarks se completó en los años 80 y se denominó Cromodinámica Cúantica, o en sus siglas abreviadas en inglés QCD. Según esa teoría los quarks sienten la interacción de un nuevo tipo de fuerza, la fuerza nuclear fuerte. Esa fuerza responde a una propiedad intrínseca de los quarks: la carga de color. La carga de color puede tener tres valores diferentes a los que por analogía con la luz se llamaron rojo, verde y azul. Los quarks se agrupan entre sí de forma que el color total sea siempre "blanco". Tienen dos maneras de hacerlo. Agruparse de tres en tres (bariones), combinando los tres colores básicos de la luz, cómo ocurre por ejemplo en el protón o en el neutrón. Agrupándose un quark y un antiquark (mesones), de manera que los colores se cancelan (rojo y anti-rojo, ...) como ocurre con un pión.
La fuerza de interacción nuclear fuerte es siempre atractiva y su acción es parecida a la de un muelle elástico, aunque su alcance está limitado al interior del núcleo atómico, y se sostiene por el intercambio de unas partículas llamadas gluones. Así, a medida que dos quarks se van alejando en el interior de un protón, neutrón o cualquier otro hadrón, su fuerza de atracción va aumentando. Eso hace que siempre se mantengan agrupados y que resulte imposible observar un quark libre. Si excepcionalmente dos quarks se separan al punto que puedan separarse, la energía liberada de su interacción es siempre capaz de crear un nuevo par de partículas quark-antiquak que se asociaran con la anteriores para formar nuevos hadrones.
Cuando Gell-Mann postuló la existencia de los quarks, del análisis de los más de 100 hadrones observados se pudo inducir que debían existir al menos tres quarks fundamentales, a los que se puso por nombre: u (up), d(down) y s(extrange). A día de hoy se han descubierto tres quarks más (charm, bottom y top) y hay evidencias experimentales para creer que no hay más fuera de esos.
La Física de partículas ha desarrollada un modelo en el que clasifica todas las partículas elementales existentes según el tipo de fuerza a la que responden, y su carácter constituyente de la materia o portador de la interacción: el Modelo Estándar. Un Universo complejo surge del mundo de las partículas subatómicas, en el que los mezclan procesos reales y virtuales de creación y destrucción de partículas en un dinamismo que se muestra a la vez exacto y ambiguo por la incertidumbre entre tiempo y energía que a esa escala permite violar el principio la conservación de la energía.
Todo un Universo mágico que puede ser reproducido en los más potentes aceleradores de partículas dando lugar a miles de partículas exóticas, la mayoría de las cuáles no pudieron sino existir antes del primer segundo de tiempo tras la gran explosión o Big Bang, pues son altamente inestables, desintegrándose rápidamente en cascada a otras de masa cada vez menor, hasta llegar las únicas estables que conforman los núcleos de los elementos que conocemos: el protón y el neutrón.
Ahora sabemos que los protones y los neutrones se mantienen unidos en el núcleo atómico por el intercambio de piones virtuales que dan lugar a una fuerza residual de la interacción fuerte.
