El zoo de las partículas

Alos que carecemos de suficiente bagaje matemático, la física de partículas nos queda grande. Sin embargo, podemos adquirir unas nociones básicas y dejarnos sorprender por las cosas que ocurren en el microcosmos, un zoo donde las partículas pueden surgir espontáneamente, dar lugar a otras al chocar o aniquilarse; o donde un montón de espacio vacío puede generar solidez: casi todo el volumen de un átomo está vacío, algo con lo que nos cuesta estar de acuerdo cuando nos golpeamos contra una pared. Además, la física de partículas busca responder a preguntas muy pertinentes como ¿de qué estamos hechos? O ¿qué fuerza mantiene juntas las partículas que constituyen, digamos, nuestros dedos?

La inminente puesta en funcionamiento del LHC (siglas en inglés de Gran Colisionador de Hadrones), el mayor acelerador de partículas construido por el hombre, nos brinda una extraordinaria ocasión para que los profanos echemos un ojo al interior del átomo.

Desde antiguo…

Lo que hoy constituye una disciplina complejísima donde las explicaciones intuitivas brillan por su au sencia comenzó como una cuestión filosófica que buscaba los fundamentos de la materia o, más concretamente, aquel elemento simple que no estaba compuesto por piezas menores. Si bien los filósofos indios ya hablaban, en el siglo VI a.C, de unidades que formaban elementos más complejos formando pares, y después tríos de pares, fue el griego Demócrito quien, dos siglos después, acuñó el término átomo para describir la partícula de materia más pequeña e indivisible. Pero su teoría no cuajó y, en cambio, sí la de Aristóteles, que proponía como elementos fundamentales el fuego, el agua, la tierra y el aire. Así, por ejemplo, los metales estaban formados por el elemento tierra y una pizca de los otros, mientras que los objetos menos densos tenían, sencillamente, menos proporción de tierra. Otra cuestión eran los cuerpos celestes, que no estaban compuestos por los cuatro elementos ordinarios sino por el quinto elemento, el éter, incorruptible y sin peso. Por extraño que nos parezca, esta visión aristotélica del mundo material sobrevivió durante siglos, hasta que los nuevos descubrimientos en el campo de la química impusieron una revisión; más concretamente, fue Robert Boyle quien, con su obra publicada en 1661 y titulada El químico escéptico, fijó el punto de inflexión: Boyle defendía una teoría en la que describía la realidad y sus cambios mediante corpúsculos (átomos) y sus movimientos, y ofrecía evidencias experimentales y descripciones detalladas de sus experimentos. De nuevo, transcurrieron siglos (cuyos hitos tenemos que saltarnos) hasta que se reveló la estructura del átomo y resultó que tampoco es la partícula fundamental e indivisible: a principios del siglo XX se esbozaba su estructura, formada por un diminuto y denso núcleo con carga positiva rodeado de una nube de electrones con carga negativa. Ante esto, la pregunta era inevitable: ¿es el núcleo del átomo, de apariencia tan sólida, la partícula fundamental? Y resultó que tampoco, porque se descubrió que se componía de protones, con carga positiva, y neutrones, que carecen de carga. Volviendo a lo mismo: ¿son los protones y neutrones las partículas fundamentales? Nones: los físicos descubrieron que se componen de "piezas" aún más pequeñas, denominadas quarks, que por fin parecen dar por finalizada la búsqueda al no estar compuestos por nada más pequeño. Y con esto llegamos al modelo moderno de átomo, que vemos en una de las imágenes: electrones moviéndose en órbitas en torno al núcleo, compuesto de protones y neutrones que, a su vez, están formados por quarks. Eso sí, la imagen está distorsionada: si dibujáramos un átomo a escala, donde los protones y neutrones midieran un centímetro de diámetro, entonces los electrones y los quarks medirían menos que un cabello humano y el diámetro de todo el átomo sería mayor que treinta campos de fútbol. Como decíamos al principio, el 99,999999999999% del volumen del átomo está vacío.

Cosas fundamentales

Aunque se han descubierto más de doscientas partículas subatómicas, los científicos han conseguido separar el grano de la paja y han elaborado un modelo, el Modelo Estándar, que describe de qué está hecho el mundo y qué es lo que lo mantiene unido. Así que cojamos aire, porque aquí viene la receta (muy simplificada, o necesitaríamos un libro): tenemos seis quarks con nombres muy peculiares y a los que se alude como pares (arriba/abajo, encanto/extraño y cima/fondo) y seis leptones, uno de los cuales ya conocemos (el electrón), que también tienen nombres curiosos (electrón, muón, tau -todos con carga eléctrica- y un tipo de neutrino -sin carga- para cada uno de ellos). Para suerte de los profanos, toda la materia que vemos se compone de los quarks y leptones más ligeros, el par arriba/abajo y el electrón, lo que nos devuelve a un escenario algo más familiar: los átomos de la materia ordinaria presentan un núcleo formado por protones y neutrones, compuestos por tres quarks cada uno (un protón=dos quarks arriba y uno abajo; un neutrón=un quark arriba y dos abajo) y una nube de electrones. El resto de partículas fundamentales son más pesadas, y por lo tanto inestables (se desintegran en partículas ligeras), y su existencia está más relacionada con los laboratorios de física de partículas o con escenarios extremos, como el Big Bang.

El pegamento y el 'despegamento'

Ahora que sabemos que, hilando fino, nos componemos de la pareja de quarks arriba/ abajo y de electrones, falta la segunda parte: ¿qué es lo que los mantiene juntos o, de modo más general, cómo interaccionan las partículas? Lo mejor (y lo peor) de este punto es que ni siquiera tienen que tocarse, sino que lo que hacen es intercambiar otro tipo de partículas conocidas como mediadoras. Aunque esto parezca poco intuitivo, disponemos de alguna analogía útil: pensemos en dos personas, cada una de pie sobre una barca, que se pasan un balón de baloncesto; si le echamos imaginación y hacemos el balón invisible, veremos los efectos del intercambio del balón (las barcas irían alejándose progresivamente). Ese balón sería la partícula mediadora que, en la naturaleza, se presenta en cuatro modalidades, o interacciones, distintas: la interacción electromagnética, la nuclear fuerte, la nuclear débil y la gravitatoria. La primera, el electromagnetismo, es bastante familiar y provoca que las partículas con igual carga se atraigan y las que tienen carga opuesta se repelan, y su partícula mediadora es el fotón. La interacción electromagnética es responsable de la unión estable de los átomos pero, ¿cómo?, si hemos visto que los átomos son neutros al equilibrar la carga negativa de los electrones y la positiva de los protones… Aquí ocurre otra cosa extraña, y muy afortunada: un electrón de un átomo puede interaccionar con el protón de un átomo vecino y generar una unión que permite la formación de moléculas y, por extensión, de "cosas"; por ejemplo, nuestro cuerpo se compone en su mayor parte de agua, una molécula resultante de la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Así que podría decirse que existimos gracias a que los electrones y protones tienen cargas diferentes.

Pero (cuántos 'peros', ¿no?) habíamos mencionado que el núcleo del átomo se compone de protones y neutrones. Si los neutrones carecen de carga y los protones tienen carga positiva (por lo tanto, se repelen), ¿por qué los núcleos atómicos no se deshacen en pedazos? Aquí entra en juego la fuerza nuclear fuerte y su partícula mediadora, el gluón (del inglés glue, o pegamento). Esta fuerza es responsable de que los tres quarks que forman los protones y los neutrones se queden bien pegados y es capaz de contrarrestar la repulsión provocada por el electromagnetismo (por algo es la fuerza fuerte): los quarks de un protón sufren atracción por los quarks de otro, lo que vence la repulsión existente entre ambos protones.

La otra fuerza nuclear, la débil, es a la que debemos agradecer no tener que aprendernos todas las combinaciones posibles de quarks y leptones, y quedarnos con la combinación de los más ligeros (el par arriba/debajo de quarks y el electrón). Las interacciones nucleares débiles provocan que los quarks y leptones masivos decaigan en otros más ligeros, en un proceso extraño: se observa desaparecer una partícula que es reemplazada por dos o más partículas distintas, y siempre más ligeras -de ahí que toda la materia ordinaria se componga del par arriba/abajo y de electrones, que no pueden decaer-.

La última interacción, la gravedad, es la más familiar porque hace que se caigan las cosas o la Tierra gire alrededor del Sol, pero presenta problemas al modelo estándar: los físicos no han hallado su partícula mediadora, el gravitón, y tampoco han conseguido integrarla en el modelo estándar, que sí agrupa con efectividad las otras tres interacciones (por suerte, los efectos de la gravedad en el zoo de partículas descrito son apenas perceptibles, de modo que el modelo estándar funciona sin explicarla).

El 'pero' más grande

La formulación matemática de la interacción predice y explica el comportamiento de las partículas con gran fidelidad -incluso omitiendo la gravedad-, PERO en principio exige que ninguna de las partículas mediadoras tenga masa. Los experimentos indican que esto no es así porque, si bien los fotones y gluones carecen de masa, las mediadoras de la interacción nuclear débil, llamadas W+, W- y Z, sí son masivas. ¿Qué hacer? ¿Reformular una teoría que funciona en casi todos los aspectos o buscar una solución que permita su vigencia? Pues lo segundo: así, el Modelo Estándar sugiere que todas las partículas carecían de masa justo después del Big Bang, y añade al panorama un ingrediente más, el bosón de Higgs. A medida que el Universo se enfriaba, la interacción de este con los mediadores W+, W- y Z les aportó masa. Esta idea se ajusta bien al modelo, pero para confirmarla habría que encontrar el bosón de Higgs, que hasta ahora solo existe en el modelo teórico. Y, ¿dónde encontrarlo? Donde se han hallado la mayoría de las partículas subatómicas que se conocen, en los aceleradores de partículas. Más concretamente, los físicos esperan encontrarlo en el LHC, el mayor acelerador de partículas que, situado en Ginebra, entrará en funcionamiento este verano. Sin embargo, el hecho de no hallar el bosón de Higgs pondría en un grave aprieto al Modelo Estándar, al que los físicos ya han encontrado importantes fisuras -de hecho, algunos sugieren que este modelo pervive por falta de alternativas, en las que ya se está trabajando.

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