Asociación Valenciana de Astronomía

Por Plácido G. Montoto

Al menos desde la antigua Grecia, el hombre ha tratado de saber de qué estaban hechas las cosas, todas las cosas, o sea el universo, llegando a la conclusión que “todo” estaba hecho de cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Cualquier cosa que hubiera en la tierra se podría formar mezclando distintas proporciones de estos elementos. Otro concepto que apareció en esta época fue el de átomo como partícula mínima indivisible.

Desde entonces la evolución del conocimiento en este campo apenas evolucionó durante siglos, a pesar de haberse descubierto algunos elementos nuevos.

A principios del siglo XX se descubrió que el átomo sí era divisible, estaba formado por partículas más pequeñas en forma de protones y neutrones agrupados en el núcleo y los electrones girando en órbitas alrededor. Y aquí nuevamente se pensó que habíamos dado con las partículas elementales e indivisibles.

Hoy sabemos que la cosa no acaba ahí, los protones y neutrones están formados por quarks y además existe todo un enjambre de partículas que paso a describir:

En primer lugar hay que distinguir dos grandes grupos: las partículas que forman la materia y las portadoras de las distintas fuerzas. Las primeras, denominadas fermiones, se clasifican en dos grupos según interaccionen mediante la fuerza nuclear fuerte, siendo quarks en este caso, o mediante la fuerza nuclear débil (o electrodébil), denominándose leptones en este caso. A su vez se clasifican en tres grandes familias compuestas cada una por un electrón o uno de sus parientes (por las propiedades) muón o tau, todos ellos con carga negativa, y un neutrino asociado a cada uno y dos quarks, tal como aparece en la tabla 1

Tabla 1

A estas doce hay que sumar sus respectivas antipartículas, o sea, las mismas pero de antimateria, con lo que se hace un total de veinticuatro elementos que combinados forman toda la materia del universo.

Las portadoras de las distintas fuerzas son las que figuran en la tabla 2. Reciben el nombre de bosones para distinguirlas de las anteriores. Cuando dos cuerpos interactúan entre si mediante alguna fuerza, lo que en realidad hacen es intercambiar entre ellos bosones del tipo que corresponda a la citada fuerza.

Tabla 2

Y aquí acaba la lista. Sin embargo a pesar de que todo el universo está formado por estas partículas, existen multitud de nombres para distintos elementos subatómicos más o menos simples, que según sus propiedades pertenecen a una u otra familia. A este nivel un cuerpo tiene las propiedades conocidas de masa y carga, pudiendo ser nula cualquiera de ellas, y además tienen espín y carga de color en el caso de los quarks. El espín es el momento angular o giro del cuerpo. En este punto toca recordar que a nivel subatómico, cualquier parecido entre las leyes que lo gobiernan y las que estamos acostumbrados a usar en “nuestro” mundo macroscópico es pura coincidencia, ya que si entendemos el giro de un cuerpo como la rotación de todos los puntos del mismo alrededor del punto central o eje, ¿Cómo puede rotar un cuerpo puntual si sólo tiene un punto? Además las cosas que vemos girar pueden hacerlo una en cantidad cualquiera, una vuelta, media, o 15’456 grados. No hay cantidad fija, sin embargo a nivel cuántico, esta propiedad esta quantizada, o sea que sólo puede tener unos valores fijos para cada partícula, si cambiamos el espín ya no es esa partícula, igual que un electrón siempre tiene carga negativa y si tiene otra carga es otra cosa. La carga de color no es que se vean realmente de colores, es simplemente una característica diferenciadora que se ha descubierto al comprobar que dos quarks con las demás propiedades idénticas ocupaban el mismo espacio, cosa que es imposible por cumplir el principio de exclusión. Existen tres posibles estados de color: verde, rojo y azul. Esta carga hace que los quarks no puedan existir individualmente, ya que ningún cuerpo puede tener carga de color no neutra (blanco o transparente), comportándose dichos colores como los visuales: la suma de los tres resulta blanco. Del hecho de llamarle “colores” a esta propiedad se deriva el nombre de cromodinámica cuántica, que es la rama de la física de partículas que los trata.

Siguiendo el criterio del spin hay dos clases de objetos:

Fermión: definición de partícula con espín semientero, esto es ½, 3/2, etc. A su vez se dividen en leptones y quarks. Debe su nombre a que se comporta siguiendo la ecuación de Fermi-Dirac.

Bosón: con espín entero, como he dicho es una partícula portadora de fuerza. No cumple el principio de exclusión de Pauli por el cual no puede haber dos partículas idénticas en el mismo espacio, por este motivo cuando dos bosones idénticos están juntos lo que hacen es sumarse, el campo de la fuerza que transportan aumenta. Debe su nombre a que sigue la ecuación Bose-Einstein.

A partir de aquí ya nos encontramos con partículas complejas compuestas por las anteriores, denominadas hadrones:

Hadrón: partícula compuesta por quarks y/o antiquarks que interactúa mediante las cuatro fuerzas, siendo el único que siente la fuerza nuclear fuerte. Se dividen en bariones y mesones.

Barión: está formado por tres quarks cuyas cargas se anulan. Los protones y neutrones son los más representativos de esta familia por ser los únicos estables. Tiene espín semientero.

Mesón: formado por un numero variable de pares quark y antiquark, por lo que son todos inestables. Se siguen buscando mesones exóticos y el primero en ser descubierto fue el mesón pi o pión. Otros son el kaón (mesón ka). Posee espín entero.

Las partículas estables decaen por interacción débil o electromagnética, las inestables decaen por interacción fuerte. En cuanto a la diferencia entre partículas estables e inestables, las primeras tienen vidas largas o muy largas, como los protones, cuya vida media se estima en 10E31 años (reacuérdese que el universo tiene una edad de 1.5x10E7 años), mientras que otras decaen en un tiempo de 10E-6 o incluso 10E-10 segundos como en el caso de los kaones.

Que la vida de las inestables sea tan corta es lo que hace que sea tan difícil su detección, habiéndose descubierto muchas con los aceleradores, siendo aún así un gran problema detectar algo que sólo existe durante una millonésima o una diez mil millonésima de segundo. Por suerte aquí la relatividad nos echa una mano, ya que a pesar de llevarse mal con la física quántica, hace que estas partículas al moverse a velocidades próximas a la de la luz, sufren una dilatación temporal que hace que su corta vida equivalga a mucho más tiempo en nuestro tiempo, considerando el nuestro como propio y el suyo como impropio.

Actualmente se siguen buscando partículas nuevas, algunas cuya existencia predicen las teorías y otras no. Estas son algunas:

Gravitón, por su importancia para comprender la gravedad.

Bosón de Higgs: que todos los corpúsculos citados en este articulo tengan masa, sin ninguna proporción o relación concreta y con unas diferencias muy grandes entre ellos, es un misterio que se supone resolverá el campo de Higgs, que es el que le otorga masa a una partícula que se desplace a través de él. Este campo, al igual que los demás esta formado por bosones, en este caso de Higgs.

Partículas supersimétricas, según la teoría supersimétrica, todas las partículas tienen otra idéntica con los mismos números quánticos de la que sólo difieren en el espín, que varía en ½, con lo que la pareja de cada fermión es un bosón y viceversa. Así las parejas serian leptones-sleptones, quarks-squarks, fotón-fotino, bosón z-zino, boson w-wino, graviton-gravitino. Hasta ahora no se ha encontrado ninguna de las parejas supersimetricas, pero hay fuertes evidencias de que esta teoría es correcta y por lo tanto deberían existir.

Estado actual: ¿hemos llegado realmente al limite de la materia, o las partículas analizadas están constituidas a su vez por otras más simples? La teoría moderna dice que ya hemos llegado a las partículas fundamentales, aunque esto también lo creían tanto los griegos de la antigüedad y los físicos de hace un siglo en cuanto a los protones y neutrones. La teoría de cuerdas ( o de supercuerdas) dice que todos los corpúsculos fundamentales son cuerdas unidimensionales que vibran de diferentes modos en un espaciotiempo de once dimensiones (he dicho bien, once), y según sea esta vibración dan lugar a una partícula u otra. Aunque esta teoría parece que puede llegar a ser algún día la buscada Teoría de Gran Unificación o Teoría del Todo debido a los avances que presenta, aún está en estado embrionario, a pesar de llevar décadas evolucionando. Otro límite muy importante que tenemos es la relación de Broglie, según la cual cuanto más nos acercamos al limite inferior de la materia, más energía necesitamos. Así si para penetrar en la estructura del átomo necesitamos un megaelectronvoltio (MeV), para adentrarnos en el interior del núcleo necesitamos del orden de los 100 MeV, y para llegar a nivel de quarks hay que superar el Gigaelectronvoltio (GeV). Actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones se llega a los 7 Teraelectronvoltios (TeV), con lo que se espera descubrir más partículas nuevas, incluido el bosón de Higgs, con toda la repercusión que ello tendría.

Bibliografía

El universo elegante, Brian Greene

Historia del tiempo, Stephen Hawking

http://www.lhc-closer.es