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Antes de examinar las partículas elementales, convendría recordar que, pese al lenguaje abstracto que utilizan los físicos para describirlas, esas partículas, en su mayoría, existen realmente, mientras que otras sólo se conocen debido al valor de las teorías que las propugnan. Nadie las conoce más íntimamente que los físicos, tanto teóricos como experimentales, que las estudian a diario en sus respectivos centros de investigación.
Dotados el círculo mundial de los físicos experimentales con poderosas máquinas aceleradoras de partículas empotradas, principalmente, en China, Japón, Estados Unidos de Norteamérica, países de la Comunidad Europea, y Rusia, ha permitido abrir una ventana al mundo del interior del núcleo atómico, la pequeña masa central del átomo, sólo una diezmilésima de su tamaño total. El núcleo lo componen primordialmente dos tipos de partículas, el protón, que posee una unidad de carga eléctrica, y el neutrón, similar al protón en varios aspectos, pero sin carga eléctrica. Protones y neutrones tienen interacciones muy fuertes que los unen estrechamente formando el núcleo. Los físicos estudian en particular esta fuerza, porque existe el convencimiento de que en ella reside la clave de la estructura básica de la materia: un complejo mundo de partículas.
Por otra parte, la física de las partículas elementales juega un rol casi preeminente en la consecución de conocer la historia del universo primitivo, porque su temperatura era tan alta que la materia estaba disociada en sus componentes más fundamentales. Por esta razón, la física de altas energías se ha transformado, desde los años 70', en uno de los instrumentos más usados en cosmología. Para entender cuales pudieron haber sido los primeros períodos del universo es necesario estudiar, aunque sea someramente, las características de las partículas que constituyen la materia y sus interacciones fundamentales. Entre ellas es esencial conocer los procesos de aniquilación y de materialización de partículas.
LA PINACOTECA DE LOS
INGREDIENTES PARA UN COSMOS
Quizás el principal desafío de la ciencia sea elaborar la receta para el cosmos, identificando y midiendo la materia de la que está moldeada la realidad. Una creencia muy antigua, que data desde hace unos 2400 años, atribuye a Demócrito de Abdera la opinión de que"lo único que existe son los átomos y el espacio vacío". La palabra griega « atomoz », que significa indivisible, es usada por Demócrito para expresar que al partir algo en pedazos cada vez más pequeños, eventualmente se llega a granitos minúsculos que ya no se pueden dividir más. Durante más de 2.000 años, estos granitos llamados átomos no fueron más que especulación. Los químicos del siglo XIX hallaron pruebas de los auténticos átomos, y el ritmo de los descubrimientos se aceleró. En la década de 1920 los átomos demostraron ser divisibles después de todo, y estar formados por núcleos de protones y neutrones rodeados por electrones. En la década de 1930, máquinas apodadas desintegraátomos -los famosos aceleradores de partículas- revelaron que a energías más altas aparecían partículas más exóticas todavía. Con un equipo más potente, la lista de las llamadas partículas fundamentales creció; en la década de 1960 los físicos habían hallado centenares de ellas, todas supuestamente elementales.
Esta profusión era engañosa. Durante las siguientes décadas, nuevas teorías -y nuevas máquinas capaces de comprobarlas- demostraron que la mayoría de las partículas eran en realidad combinaciones de un puñado de objetos fundamentales. Hoy se agrupan a esas partículas en dos grandes familias: los hadrones y los leptones. Así mismo, y según la visión del mundo subatómico, también se cuenta con dos agrupaciones de subfamilias llamadas fermiones, por el laureado con el premio Nobel Enrico Fermi, y bosones, llamados así por Satyendra Bose, un físico indio. Algunos fermiones aparecen aislados; otros se agrupan. Todos interactúan por medio de las cuatro fuerzas conocidas -gravedad, electromagnetismo y las fuerzas subatómicas «fuerte» y «débil»-, todas ellas transportadas por los bosones. Fermiones y bosones ocupan un lugar donde no siempre se aplica el sentido común. A la escala de estas partículas, la realidad se vuelve inherentemente confusa. La incertidumbre resultante puede traer consigo extraños fenómenos, incluida la aparente creación de algo de la nada. Sin embargo, el resultado acumulativo de estas misteriosas idas y venidas es muy familiar: el propio universo.
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Hacer formulaciones lo más sencillas y precisas sobre la física de las partículas elementales y sus interacciones representa para los físicos que se centran en el estudio de la física de altas energías uno de sus más caros anhelos.
El devenir de la evolución de la física nos ha hecho conscientes de que teorías a ciertas escalas de energía se incompatibilizan y, regularmente, adquieren la propiedad de ser «límites fronterizos» de una teoría más general que trabaja a una escala de energía mayor que la asociada a las teorías independientes y que, además, casi siempre suele ser de una mayor sencillez conceptual. Sin embargo, como ha sido la «gracia» de los humanos que procuran hacer ciencia en física siguen explorando posibilidades dentro de la teoría que actualmente describe bastante bien a las partículas elementales y que es el modelo estándar (ME).
Como ya lo señalamos en la sección N° 13, de este sexto capítulo, el ME es una teoría que fue enunciada a los finales de los años sesenta y, hasta ahora, comporta bastante éxito desde el punto de vista experimental. En sus principios medulares describe las tres fuerzas no gravitacionales que cohabitan en la naturaleza: la fuerza fuerte, la débil, y electromagnética. Se trata de una teoría consistente; sin embargo, más de una «arbitrariedad», como ya quisimos mencionarlo, ha sido necesario aceptar. Tiene diecisiete parámetros libres, como por ejemplo, las constantes de acoplamiento, el espectro de masa fermiónica, etc., cuyos orígenes no son fáciles de entender teóricamente.
Para que el ME cumpla con sus funciones predictivas es necesario postular la existencia de una masiva partícula escalar llamada bosón de Higgs, la cual, todavía, no ha sido posible observar experimentalmente, pero la esperanza es lo último que se pierde.
SOBRE PARTÍCULAS Y ENERGÍA
Aunque la masa de las partículas puede expresarse en términos convencionales como minúsculas fracciones de un gramo, los científicos suelen usar otro sistema de medida: una unidad de energía llamada electronvoltio (eV), definido como la energía adquirida por un electrón al atravesar una variación de un voltio de un campo electromagnético. El concepto de partículas como diminutos fajos de energía deriva de la fórmula de Einstein para la equivalencia de masa y energía, E = mc2 Un protón, por ejemplo, posee una masa de aproximadamente 10-14 gramos, o 938.300.000 eV. El contenido de energía de la materia es significativo para los físicos que estudian las partículas más efímeras con aceleradores de alta energía, utilizando las colosales máquinas para producir materia allá donde antes no existía ninguna. Estas nuevas partículas toman forma de la energía liberada cuando dos haces de partículas aceleradas golpean de frente. La masa de las partículas creadas nunca puede exceder la energía de las colisiones, que se mide en miles de millones de electronvoltios (expresada como gigaelectronvoltios, o GeV).
En los aceleradores más grandes de hoy en día, la energía del haz de partículas alcanza unos pocos cientos de GeV, justo lo suficiente para crear los misteriosos portadores de la fuerza débil, los bosones W y Z, cuyas masas son casi de 100 GeV. Según la teoría cuántica contemporánea, estas partículas fueron abundantes unos 10-11 segundos después del inicio de la expansión, cuando el mismo nivel de energía permeaba todo el universo.
Los niveles de energía de momentos muy anteriores son probablemente inalcanzables. Unos 10-11 segundos después de que el universo iniciara su expansión, la energía media de una partícula era de 1014 GeV. Para alcanzar un nivel similar, un acelerador que usara la ingeniería incorporada en el Acelerador Lineal de Stanford, de tres kilómetros de largo y 40 GeV, debería tener aproximadamente un año luz de longitud. |
Ahora bien, cuando se habla de hacer trabajos en energías superiores a las típicas del ME, o sea, de alrededor de 100 GeV, más de un modelo se encuentra al alcance para posibles generalizaciones del ME consistentes con la correspondiente información experimental. Entre ellos, podemos mencionar los iguientes: modelos con dos dobletes de Higgs, modelos con simetrías izquierda-derecha, sistemas compuestos, métodos lagrangianos, efectivos, supersimetría, teorías supergravitatorias, grandes teorías unificadas (GUT's), etc.. Los tres primeros de los nombrados son consistentes a una escala de energía algo más allá de la escala de Fermi (240 GeV) -llamadas también extensiones minímales-, los restantes se extienden de manera natural hasta la escala de Planck (1.019 GeV). Pero esto, que hemos dicho en este párrafo lo vamos a tratar más adelante, por ahora, aquí, vamos a hablar de las partículas elmentales.
La clasificación que han hecho los físicos de las partículas elementales guarda una directa relación con su masa en reposo. Si una partícula se mueve y su masa en reposo no es cero, entonces podemos suponer que nos movemos a la misma velocidad que la partícula, de modo que respecto a nuestro propio movimiento la partícula está en reposo, lo que permite medir así, de esa forma, la cuantía de la masa en reposo de la partícula. Por otra parte, si la masa en reposo de una partícula es exactamente igual a cero (como la del fotón, la partícula de la luz), entonces ésta se está moviendo para siempre a la velocidad de la luz, lo que nos deja limitado a podernos mover a la misma velocidad. Así pues, todas las partículas pueden clasificarse según su masa en reposo, sea ésta cero o no.
El otro principio que se aplica en la clasificación de las partículas elementales es que éstas han de tener un espín definido. Si nos imaginamos las partículas como puntitos que giran, esta acción de giro o espín en unidades especiales, sólo puede tener los valores 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3... o un entero o un valor semientero; el espín es cuantificable. Si se descubriera alguna vez una partícula con un espín de 1/6, ahí estaríamos en problemas, ya que ello entrañaría una violación de la relatividad especial y sería una grave falla de las leyes de la física.
En la ilustración del encabezado de esta sección, hemos hecho al centro del dibujo una división entre partículas de fuerza y partículas de materia. Con ello queremos señalar que las partículas de espín entero, 0, 1, 2… se denominan «bosones» mientras que las de espín de medio entero, 1/2, 3/2, 5/2… se denominan «fermiones», diferenciación de suma importancia, porque cada grupo de partículas en giro interactúa de modo muy distinto con otras partículas. Por ejemplo, el número total de fermiones que intervienen en una reacción tiene que ser igual al número total de fermiones resultantes… los fermiones se conservan, pero no pasa lo mismo con los bosones, ya que no gozan de la ley de conservación que rige para los fermiones.
En un fenómeno que es genérico, un fermión (arriba, a la izquierda) se empareja aquí con su correspondiente antipartícula (derecha), una porción de antimateria de la misma masa pero con propiedades invertidas.
El leptón con carga más conocido es el electrón (arriba, derecha), portador de la corriente eléctrica y reconocido componente del átomo. Su antipartícula, el positrón (izquierda), posee carga positiva.
El neutrino-electrón, una de las tres variedades de neutrino (arriba, izquierda). Tanto los neutrinos como los antineutrinos (derecha) carecen de carga y, dado los últimos resultados de laboratorio, su masa es más que pequeñísima.
Observados como si estuvieran aislados, los quarks genéricos (arriba, izquierda) y los antiquarks (derecha) se hallan siempre ligados por la fuerza fuerte formando partículas compuestas con otros de su clase e integrando la familia de los hadrones. |
Pero hablando de fermiones, al nivel más elemental se cree que éstos son los fragmentos más pequeños de la materia, tan pequeñitos que habría que situar más de mil millones de ellos en fila india para que ocuparan el grosor de un cabello humano. Los fermiones más elementales son clasificados como leptones o como quarks. A los primeros les gusta la soledad, normalmente son solitarios: excepto bajo circunstancias especiales, no se combinan los unos con los otros o con otras partículas. Sin embargo, el caso de los quarks es distinto, ya que siempre se hallan integrados en partículas multiquark constituyendo, a su vez, la familia particulada de los hadrones, de los cuales nos referiremos en extenso en las secciones siguientes. Ahora, no está demás reiterar lo que ya precisamos en la sección N° 8, de este capítulo, sobre las antipartículas, ya que, por supuesto, cada tipo de leptón o quarks posee un gemelo de antimateria idéntico en masa pero opuesto en otras propiedades, como lo vimos ya, cuando se refiere a la carga eléctrica.
Por otro lado, la clase de los leptones, que no participan en las interacciones fuertes, contiene sólo seis partículas conocidas: tres leptones con carga eléctrica, a los cuales corresponden tres neutrinos sin carga y que por lo tanto no participan en las interacciones eléctricas. Los neutrinos no tienen masa en reposo (o ella es muy pequeña) y reaccionan tan poco con la materia, que son partículas casi fantasmas.
La palabra leptón proviene del latían «leptos» que significa liviano, y el más conocido de ellos es el electrón, unas setecientas veces más liviano que el más ligero de los quarks. Fue descubierto en 1897 por el físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940), sucesor de Lord Rayleigh en Cambridge y Premio Nobel 1906 por sus trabajos sobre conducción eléctrica en gases. Ahora bien, tal como lo enunciamos en el párrafo anterior cuando dimos la cifra de seis partículas, al electrón se le suman cinco hermanos más: el muón, el tauón, y tres neutrinos, el
neutrino electrónico, el muónico y el tauónico. El nombre de los dos primeros es un derivado de las letras griegas mu (m) y tau (t); por su parte, el del neutrino guarda relación con su neutralidad eléctrica.
Pero, dediquémosles algunas línea más a los neutrinos. ¿Qué son estas diminutas partículas? Podríamos describirlas sencillamente, como algunos disparos que suelen hacer los núcleos atómicos, cuya dirección no es predecible, y cuyo proceso lo conocemos en física como «decaimiento beta». Por ejemplo, de un átomo de carbono puede salir repentinamente un electrón, quedando detrás un átomo de nitrógeno. El proceso en sí es sorprendente, como si desde el disparo de la bala de un cañón de pronto saliera un canario volando. Bueno, podría pensar uno, quizás alguien puso el canario adentro, la bala reventó y el pájaro quedó libre. Son trucos típicos de los magos. Pero, ¿y si, aunque hubiese cambiado levemente de forma, la bala no hubiese reventado por encontrarse fallida?
Cuando nos enfrentamos al decaimiento beta uno siempre espera sucesos inciertos; hay antiguas leyes de la física, como la conservación de la energía, que parecen violadas. Hasta el año 1930, ello representó un grave problema para los físicos pero, afortunadamente, apareció el genio de Wolfgang Pauli cuando propugna la existencia de una nueva partícula, sin carga eléctrica ni masa, que salía junto con el electrón como un fantasma invisible. Enrico Fermi aprovechó la aparente inocuidad del objeto para acuñar un italianismo: «neutrino», el diminutivo de neutro (en castellano quizás sería neutrito). Obviamente, que a la comunidad de entonces de físicos, la propuesta de Pauli no gozó de una entusiasta aceptación. En una carta de 1934, George Gamow le dice a Niels Bohr, que "no le gusta nada esta cosita sin carga ni masa". La audaz proposición de Pauli fue confirmada un cuarto de siglo más tarde, y en los años siguientes nos sorprendimos al descubrir que no había una, sino tres especies, asociadas a los otros leptones: el electrón, el muón y el tauón. Pero ello no es todo. Ahora también sabemos que los neutrinos podrían comportar una pequeñísima masa.
En cuanto a los quarks, normalmente son más masivos que los leptones. Aunque nos referiremos con algún detalle en la subsiguiente sección sobre esta partícula elemental de materia, sucintamente podemos señalar aquí que los quarks se hallan unidos entre sí por la fuerza subatómica fuerte para formar neutrones, protones y otras formas más curiosas e intrigantes como los piones y los kaones. Ahora, en las seis formas que se les conoce, los quarks integran –como lo veremos más adelante– la familia de los hadrones.
Al paquete de partículas elementales de materia que, anteriormente hemos tratado de describir de forma muy sucinta, sumamos ahora a la partículas que hacen la fuerza para que se unan las primeras. Sabemos que el átomo es posible porque electrón y protón se atraen; que el sistema solar se mantiene unido porque el Sol y los planetas también se atraen, aunque por razones distintas. Hoy, hemos llegado a entender estas atracciones entre objetos como si fuera un intercambio de partículas ligadoras o mensajeras, si se quiere, las que conocemos en lenguaje técnico como «bosones de gauge» (gauge se pronuncia "geich"). Lo de bosón es en honor del físico hindú Styendra Nath Bose, 1894-1974, y lo de gauge es por razones prácticas, debido a la teoría que describe mejor a estas partículas. Los miembros más reconocidos de esta agrupación de partículas de fuerza son el fotón (el cuanto de luz que transmite la fuerza entre cargas eléctricas), los gluones (ocho de ellos asociados a los quarks), el gravitón (asociado a la atracción entre masas) y las partículas W +, W - y Z (importantes en la radioactividad).
Los bosones son las partículas mensajeras que transmiten la fuerza de un fermión a otro. Cada una de las cuatro fuerzas reconocidas en la naturaleza tienen su propio tipo de bosón. Por su parte, los gluones –como veremos en la siguiente sección– transportan la fuerza subatómica fuerte, que une a los quarks además de a los protones y neutrones: ocho tipo de gluones difieren en sus propiedades abstractas, denominadas color y anticolor. Los bosones, en tanto, de vector intermedio transfieren la fuerza subatómica débil, que cambia un tipo de partícula nuclear por otra en el proceso de descomposición radiactiva: estos transmisores de fuerza pueden estar cargados positivamente, negativamente, o ser neutros. Se cree que los gravitones –no vistos aún, ni siquiera en peleas de perros– median en la gravedad, y los fotones llevan el electromagnetismo.
Por otro lado, es importante precisar que algunos bosones son bastante estables: la mayoría de los fotones, por ejemplo, datan de inmediatamente después del comienzo del universo. Pero los portadores de fuerza pueden ser también partículas llamadas «virtuales», construcciones fantasmales generadas por un fermión y absorbidas inmediatamente por otro. Por último, es importante tener presente que a través del intercambio de los bosones virtuales, los quarks o leptones pueden interactuar, repeler, atraer, aniquilar o afectarse de cualquier otro modo unos a otros.
Ahora bien, si a las dos agrupaciones de partículas que hemos mencionado aquí, las de materia como las de fuerza, le sumamos las antipartículas, llegamos a un número algo superior a sesenta. Y a este número sólo hemos llegado, no hace mucho tiempo, diría que tan sólo en las últimas décadas, ya que hace cincuenta años se conocían apenas cuatro: el electrón, el positrón (o antielectrón), el neutrino y el fotón. Es cierto que también se había ya descubierto el protón y el neutrón, que en ese entonces se consideraban elementales; pero hoy sabemos que son partículas compuestas, formadas por quarks.
Un número de sesenta, no deja de ser bastante. ¿Son todas? No lo sé. Según algunos, sí. Sin embargo, aunque aquí no me pronuncio, hay quienes creen que hay más, difíciles de ver, como la propuesta por Peter Higgs de la Universidad de Manchester, Inglaterra, y que, con la imaginación que ha venido caracterizando a los que se dedican a este trabajo en el mundo de la física, hoy se la llama «Higgs». Ahora, medio en serio y medio en broma, algunos dicen que las actitudes frente a la Higgs se dividen en tres clases: los "ateos" no creen que existe, los "agnósticos" piensan que existe pero no es fundamental, mientras que el tercer grupo, los "fundamentalistas", piensa que existe y es fundamental.
Si realmente existe esta partícula no se destacaría por su abundancia en el ambiente natural que nos rodea. Para verla habría que producirla artificialmente. Como ocurre con la antimateria. El positrón, por ejemplo, es muy escaso, pues allí donde aparece, en una fracción pequeñísima de segundo se aniquila con alguno de los abundantes electrones que hay por todos lados. Aunque se presume también de muy corta vida, la dificultad con la Higgs se debe sin embargo a una razón muy distinta. Tiene una masa enorme, más de un millón de veces la del electrón. Tan grande, que producir esta partícula en el laboratorio requiere de un acelerador gigante de al menos noventa kilómetros de circunferencia, o sea, muchísimo mayor que el recién inaugurado «Relativistic Heavy Ion Collider», en Brookhaven, EE.UU. o el «Large Hadron Collider» proyectado por el CERN para inaugurarlo en el año 2005. Sería una especie de supercarretera de dos vías donde viajan protones en ambas direcciones y a velocidades cercanas a la de la luz, con una energía decenas de millones de millones de veces la de los electrones en los átomos. La Higgs sería como la chispa que resulta de uno de los choques frontales en dicha carretera.
También el gravitón, como ya lo hemos mencionado más arriba, el mensajero de la fuerza de gravedad, es hipotético. A pesar de cuidadosos experimentos, ha evadido en forma obstinada a los que lo han querido atrapar. Otra partícula elusiva es el monopolo magnético, predicha por Paul Dirac y jamás observada. Otras, todavía, son los fotinos, gominos, winos, zinos, gravitinos, squarks y sleptones, que según la SUSI (la teoría de supersimetría), deberían existir, y que tampoco han sido habidas en parte alguna...
No deja de ser curioso y hasta desconcertante que, sin contar las hipotéticas, haya aun tantas partículas elementales. Sobre todo, si se tiene presente que para sustentarnos, para construir casi todo lo que nos es esencial para la vida, bastan apenas los quarks up y down, el electrón, el fotón, el gravitón, y algunos gluones. Con estos elementos se hacen los átomos, los ciento y tantos que conocemos, la luz y la gravedad. ¿No será que a los físicos les gusta complicarse? ¡No! No es así. Es la naturaleza, por conocerla mejor, la gran incentivadora para que ello sea así.
En las siguientes secciones vamos a volver a tocar el tema de las partículas elementales, pero con una mayor detención y mirado desde la perspectiva de cómo creemos que actualmente está constituida la materia del universo, o sea, deteniéndonos a estudiar, perimero, a dos grandes familias de partículas: los hadrones y los leptones. Posteriormente, describiremos lo que se suele llamar partículas portadoras de las interacciones y las llamadas virtuales.
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