UN VIAJE POR EL MICROCOSMOS
El fascinante mundo de las partículas y las fuerzas

Por Javier Peña

¿Cuántas veces hemos observamos el cielo estrellado absortos por la inconmensurabilidad del cosmos?. Miramos ese negror celeste tachonado de estrellas donde todo se mide en magnitudes difíciles de concebir. Soles, galaxias, agujeros negros, masas, vacío, distancias; todo es colosal en ese universo que nos rodea y que altivamente se atreve a empequeñecernos sin el más mínimo pudor.

¿Pero de qué está hecho el cosmos?. ¿Cuáles son los ladrillos constitutivos de esas macroestructuras menguadas por las enormes distancias? Precisamente son los objetos más pequeños, aquellos que ni siquiera podemos ver, sólo intuir, los que forman toda la materia y energía del universo. Son paradojas de la vida que mantiene en vilo a cosmólogos y físicos que intentan desesperadamente unir esos dos mundos, uno desmesuradamente grande, el macrocosmos y otro infinitamente pequeño, el microcosmos. Ambos con reglas aparentemente distintas, relatividad para lo muy grande y mecánica cuántica para lo muy pequeño.

En este artículo trataré de ese diminuto mundo que en sí es ya un universo, el universo de las partículas, el microcosmos.

El átomo griego

Según aseguran los historiadores, la ciencia tal y como la describimos hoy nace en Grecia hace unos 2500 años con Tales de Mileto. Puede que eso sea hilar muy fino pero lo cierto es que los griegos aportaron mucho de los pilares de la ciencia actual. Intentaron dar una explicación a todo lo que les rodeaba sin derivar hacia el misticismo, tratando casi siempre de ser lo más racionales posibles.
Democrito y Heraclito de Rubens

Entre los muchos sabios que intentaron dar respuesta a lo que observaban, cabe destacar la figura de Demócrito de Adbera ( 460 -370 a.C.) el cual postuló que "el universo está formado por espacio vacío y un número (casi) infinito de partículas invisibles". Llamó a estas partículas átomos que significa indivisible. Llegó incluso a decir que algunas sustancias estaban compuestas por diversos átomos o combinación de éstos y que podíamos variar la sustancia si modificábamos el orden de los átomos. No cabe duda que la intuición de Demócrito fue extraordinaria. Durante más de 2.000 años, estos granitos no fueron más que especulación y es sólo a partir del siglo XIX cuando se hallaron pruebas de la auténtica existencia del átomo.

La era de los descubrimientos

El primero en intuir la existencia de una partícula aun sin saber muy bien qué es lo que había descubierto se lo debemos a un extraño personaje, sir William Crookes, el cual jugaba tanto a la ciencia como a lo sobrenatural. Experimentaba con el paso de la electricidad a través de los gases. Es cierto que los gases son bastante aislantes, pero en determinadas condiciones se hacen bastante conductivos, basta pensar en los rayos. Crookes utilizaba unos cilindros de vidrio en el que introducía un gas a baja presión. Cuando aplicaba alta tensión en ambos extremos del tubo aparecía una luminosidad verdosa que se dirigía del polo negativo al positivo. Si acercaba un imán al tubo el haz luminoso se desviaba, lo que le hizo pensar que ese misterioso rayo tenía que estar compuesto por "algo" eléctricamente negativo. Pero fue Joseph John Thomson, un físico inglés que trabajaba en el Laboratorio Cavendish en Cambridge, quien en 1895 dedujo que estos rayos están constituidos por partículas cargadas eléctricamente y que la masa de éstas era mucho menor que la de los átomos que las contenían. Ésta fue la primera prueba de la existencia del electrón y también el inicio de la física atómica o de partículas puesto que el electrón reveló que el átomo es, paradójicamente, divisible.

La estructura atómica a principios de siglo era similar a un sistema planetario

El descubrimiento del electrón ha sido un logro importante en el mundo de la física y está ligada a la revolución tecnológica del siglo XX. Pensemos por ejemplo, que tanto la televisión como la radio o los ordenadores y la electrónica en general se fundamentan en esta partícula diminuta cuya masa ronda los 9 x 10-28 gramos.

Ahora bien, dado que los átomos son eléctricamente neutros debe existir otra partícula en el interior del átomo que contenga la misma carga que el electrón pero de signo contrario. Esta vez le tocó el turno a E. Rutherford descubrir la nueva partícula en 1919 y lo hizo a través de la desintegración del núcleo de nitrógeno. Demostró que ésta tenía una carga positiva y que su masa era tan elevada con respecto al electrón que la mayor parte de la masa del átomo estaba concentrada en ella. Se llamó a esta partícula protón.

Se puede decir que fue durante el primer cuarto del siglo XX cuando nació la moderna física nuclear, si bien el hecho de que los físicos creyesen que los electrones y los protones coexistían juntos en el núcleo nos da una idea de lo rudimentario que era el concepto del átomo. No obstante este error sólo iba a durar unos años. Una vez descubierto el electrón y el protón, era lógico suponer que los restantes elementos estuvieran formados por un número variable de protones. Pero había un problema. A excepción del hidrógeno, los demás elementos tenían un peso atómico que no se correspondía con el número de protones que tenía ese elemento en su núcleo. Por ejemplo, el helio tiene dos cargas positivas pero su masa equivale a cuatro protones. Ahora bien, si descendemos por la tabla periódica (1) las cosas se complican aún más, así el plutonio contiene 94 protones mientras que su masa es similar a la de 242 protones. Esta extraña situación dejaba perplejos a los físicos que no entendían la disparidad entre el número de protones de un átomo y su masa. ¿Cómo podía el helio tener dos cargas positivas y pesar como si estuviera compuesto por cuatro protones?. Otro misterio residía en las masas fraccionarias de la mayoría de los átomos, como por ejemplo el cobre que tiene una masa equivalente a 63,5 protones. Si se suponía que los protones eran las únicas partículas nucleares y a su vez responsables de la masa total del átomo puesto que la masa de los electrones es despreciable, ¿cómo se podía explicar el hecho de estas masas fraccionarias?. ¿Significaba ésto que un núcleo podía tener por ejemplo 63,5 protones?. La idea de que pudiera existir medio protón es descabellada y nunca ha sido aceptada por los físicos. Había que buscar otra solución al problema y ésta llegó con el descubrimiento por parte de James Chadwick en 1932 de una nueva partícula: el neutrón. Los químicos y físicos de principios del siglo XX observaron que muchos de los elementos radiactivos se descomponían en otros elementos de tal forma que sus masas atómicas diferían, aunque curiosamente sus características eléctricas y químicas se mantenían intactas. La existencia de una partícula cuya masa fuese similar a la del protón pero que su carga eléctrica fuera nula daba solución satisfactoria por un lado a esos elementos de masas distintas pero características idénticas y por otro a las masas fraccionarias.

Un mundo de pequeñas dimensiones

Pues bien, estas tres partículas son los componentes fundamentales y estables del átomo y por tanto de la materia que conocemos. Pero veamos el átomo más de cerca. Tendremos que aproximarnos mucho para poderlo ver ya que su tamaño es de unos 10-8 centímetros o lo que es lo mismo una diezmillonésima parte de un milímetro ó 100 picómetros ó 1 Angstrom (2) . Pequeño ¿verdad?, pues nos estamos refiriendo al átomo en su conjunto, es decir, el núcleo y su capa de electrones que hoy día son visibles con microscopios electrónicos, al menos los átomos más grandes. Para que nos podamos hacer una idea de lo pequeño que es basta sólo compararlo con las criaturas vivas más pequeñas, los virus. El más diminuto de estos organismos mide unos 0,00002 milímetros, es decir ¡unas 2000 veces mayor que el átomo!. Ahora bien si lo que queremos ver es el núcleo en sí mismo tendremos que descender todavía más, a 630 femtómetros para los núcleos más grandes. Seguro que jamás habéis oído esa palabra. Tranquilos, es normal, en la vida ordinaria no trabajamos con unidades tan pequeñas. Un femtómetro es ni más ni menos que la ¡milbillonésima parte de un metro (10-15)!, es decir, casi 32 millones más pequeño que el virus antes mencionado. Pero como ya sabéis, el núcleo está compuesto por protones y neutrones de modo que estas partículas aún son más diminutas, unos 100 femtómetros ó 200 millones de veces menor que el virus más pequeño. ¡Caramba! qué pequeño es todo esto. Pues el electrón es todavía menor, más o menos 10-18 metros o 10-3 femtómetros (¡20.000 millones más pequeño que el virus!). Supongo que ahora comprenderéis porqué no vemos las partículas.

Ya sabemos el tamaño de un átomo y de sus componentes, veamos ahora sus masas. El hidrógeno con un sólo protón es el átomo más ligero y su masa (que es lo mismo que decir la masa del protón) es de sólo 1,66 10-24 gramos, cuatrocientas mil veces menor que la masa de un virus. Esa diferencia es más o menos la que hay entre un humano de 70 Kg. y un gigantesco trasatlántico como el Lusitania. O si quisiéramos hilar más todavía la diferencia de masa entre un protón y una persona de 70 Kg. es similar a la diferencia entre éste y un planeta ¡8 veces más masivo que Júpiter!. El neutrón es ligeramente más masivo que el protón mientras que el pequeño electrón es una de las partículas menos pesadas que existen. Los físicos miden su masa en electronvoltios que en realidad es una medida de energía. ¿Qué tiene que ver la energía con la masa?, pregúntaselo a Einstein que fue quien afirmó que la masa y la energía son intercambiables, es decir, la masa es una forma de energía y viceversa. Al ser los electrones tan pequeños, los físicos nucleares prefieren utilizar unidades de energía a las de masa ya que para sus fines es mucho más práctico. Pero no nos entretengamos con estas sutilezas y veamos cuál es la masa del electrón. Medido en electronvoltios sería del orden de 511.000 eV, lo que equivale a 9 x 10-28 gramos, una masa de 1/1837 del protón. Ésto es más o menos la diferencia de masa que hay entre una persona y una estrella. Impresionante, ¿verdad?.

Sabiendo ya la masa de las partículas atómicas, ¿te has preguntado alguna vez de cuántos átomos está formado tu cuerpo? Yo no sé lo que pesará el lector, pero en mi caso son 70 kilos más o menos, de modo que debo estar formado por unos 70.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (setenta mil cuatrillones) de protones, neutrones y electrones.

Todo lo dicho hasta aquí está referido a las partículas más estables que conforman la materia conocida del universo. En los años 30 la física nuclear se había simplificado considerablemente y aparentemente había una comprensión bastante buena del átomo. Pero en realidad, detrás de esa máscara simplista y cómoda los físicos se hacían muchas preguntas. ¿Sólo existían esas partículas?, ¿eran realmente elementales?. ¿Cómo podían coexistir los protones dentro del núcleo?, ¿por qué no se repelían?. Éstas y otras cuestiones perturbaban a los físicos y mantenía en jaque la sencilla y elegante estructura atómica de principios de siglo. En esa misma década un nuevo descubrimiento abrió el camino hacia una nueva física nuclear, la que en los años 60 se denominaría Modelo Estandar.

¿La anti..qué?

El descubrimiento del neutrón no fue en modo alguno satisfactorio para los físicos. En realidad era mucho más sencillo describir la materia, el universo, en función de dos partículas, una positiva y otra negativa, protón - electrón. Y es que al físico, como a cualquier científico, le gusta la simplicidad. Pero lo que ellos no sabían es que acababan de empezar a indagar en el mundo subatómico y que lo peor estaba por llegar.

Durante años los científicos habían estado estudiando los rayos cósmicos procedentes del espacio descubiertos en 1911 por Víctor Francis Hess. ¿Qué eran los rayos cósmicos?. En los años 20 dos grandes científicos se decantaron por teorías opuestas. Por un lado Robert Millikan pensaba que eran ondas electromagnéticas similares a los rayos gamma3 y por tanto carentes de carga eléctrica. En el lado opuesto estaba Holly Compton que consideraba que eran partículas muy energéticas. En fin, para dilucidar el problema había que ver si eran rechazadas por el campo magnético de la Tierra. Si se desviaban eran partículas cargadas como decía Compton, si no lo hacían entonces eran ondas como aseguraba Millikan. Compton llevó a cabo varios experimentos dirigidos a demostrar su postura. Como es lógico, si los rayos cósmicos eran partículas cargadas eléctricamente nos entraría más radiación por los polos que por el ecuador. Y así fue, además en 1930 el físico italiano Rossi demostró que las cargas positivas eran desviadas hacia el este y las negativas hacia el oeste. Después de estudiar la distribución de los rayos cósmicos se comprobó que éstos eran desviados hacia el este, por tanto tenían carga positiva. Por aquella época sólo se conocían dos partículas, los protones con carga positiva y los electrones con carga negativa. Era lógico pensar entonces que se trataban de núcleos atómicos, es decir, de protones. Y no iban muy desencaminados, ya que se ha comprobado que parte de estos rayos están formados efectivamente por núcleos de hierro e incluso de uranio entre otros. Pero vayamos por partes.

En 1930 el físico Paul Dirac había deducido por análisis matemáticos que cada partícula tenía que tener su antipartícula, es decir, debía existir un antielectrón y un antiprotón. La idea no fue muy aceptada en la comunidad científica, al fin y al cabo nunca se había encontrado ninguna prueba de su existencia. Pero esa desconfianza se desvaneció en sólo dos años, cuando Anderson, un físico norteamericano, estudiando los rayos cósmicos en las cimas de las montañas con un detector encontró una partícula curiosa que tenía las mismas características del electrón pero se desviaba en sentido contrario, o sea, su carga era positiva. ¡Por fin se había descubierto el antielectrón de Dirac!. Anderson llamó a esta nueva partícula positrón, nombre nada adecuado para describir al electrón positivo pero que caló entre los físicos y así ha quedado establecido. Se dió ya por sentado que si existía una antipartícula para el electrón, debía existir antipartículas para el protón. A este conjunto de antipartículas se les denominó antimateria.

La partícula fantasma

El descubrimiento del positrón creó un gran revuelo entre la comunidad científica. De hecho, hablar de antimateria sigue siendo hoy para muchos que desconocen la física atómica sinónimo de ciencia ficción. Pero curiosamente los físicos de la década de los 30 no estaban todavía satisfechos, y si bien no era necesario la existencia de más partículas, simplemente querían más.

Hacía tiempo que se conocía una extraña propiedad de algunos elementos químicos por la cual éstos emitían energía de forma "espontánea". Los Curie estudiaron estos extraños elementos pesados que decaían hacia elementos más simples, es decir, elementos que con el tiempo se convertían en otros elementos diferentes. Observaron que en este decaimiento, conocido como proceso radiactivo, se emitían tres tipos de partículas que fueron denominadas alfa, beta y gamma. Las partículas alfa y beta son desviadas por los campos magnéticos, mostrando que las primeras tienen carga positiva y las segundas negativa. Las partículas gamma no se desvían ante un campo magnético. Hoy se sabe (no en aquel entonces) que las partículas alfa están constituidas por núcleos de helio (dos protones y dos neutrones), las beta son electrones que viajan a grandes velocidades y las partículas gamma son fotones.

La fuerza de la gravedad es responsable de mantener los planetas girando en torno la sol. Es la mas conocida ya que desempeña un papel importante en la vida cotidiana. Pero en fisica subatomica su influencia es tan pequeña que se la considera inexistente

Estos procesos radiactivos eran muy inquietantes para aquellos científicos que desconocían lo que eran las partículas a,b y g. No alcanzaban a comprender qué sucedía con estos elementos pesados. ¿Qué estaba ocurriendo, de dónde procedía la energía emitida por los núcleos radiactivos?, ¿por qué se emitían estas partículas?. Los físicos del primer cuarto del siglo XX estaban muy confusos, habían muchas teorías enfrentadas entre sí y más de uno estuvo a punto de claudicar. Pero fue precisamente este desasosiego lo que permitió a los científicos abrirse camino hacia la moderna física cuántica.

En parte la solución a algunos problemas llegó de la mano de la relatividad que mostró coherentemente que la responsable de los procesos radiactivos se encontraba en la misma masa del núcleo; dicho de otro modo, el núcleo perdía un poco de su masa para convertirse en energía. Dicha energía era expedida por partículas beta pero este proceso, conocido como desintegración beta, inquietaba a los físicos. Las partículas beta emitidas en la desintegración de un núcleo no se correspondían con la masa perdida por éste. Estaba claro que algo no cuadraba. En esa prodigiosa década de los años 30, el físico Wolfgang Pauli dió con la solución (teórica): junto a la partícula beta se desprendía otra que era la responsable de llevarse esa energía desaparecida. Pero esa nueva partícula debía ser muy extraña ya que no debía poseer ni masa ni carga, sólo energía. Era desde luego una solución muy peculiar pero los físicos se la tomaron muy en serio, hasta el punto de que le dieron nombre, neutrino (ésto se lo debemos a otro gran físico, Enrico Fermi). Sin embargo las cosas no son tan sencillas como parecen a simple vista. Los científicos se dieron cuenta de que la partícula que se llevaba la energía faltante tenía que ser una partícula contraria al neutrino, es decir, un antineutrino. ¿Pero si habíamos dicho que las antipartículas son iguales a sus partículas excepto en la carga? Pues no siempre es así, en realidad las partículas tienen otras cualidades aparte de su masa y carga, es su spin o giro del que hablaré más adelante. Un antineutrino es igual al neutrino excepto que su spin es contrario, así de sencillo ¿o no?.

Resumiendo, en 1935 se habían detectado lo que se creía que eran seis partículas elementales, el electrón (1895), el protón (1919) y el neutrón (1932), que eran los constituyentes básicos de los átomos; el antielectrón o positrón (1932) que representaba la antimateria y el neutrino que seguía siendo una partícula teórica y servía para explicar procesos radiactivos. Otras, aunque no estaban sobre papel, su existencia era pura especulación: antineutrinos, antiprotones y antineutrones. Al fin y al cabo se tenía la certeza de que la materia se componía de dos partes, una parte formada por partículas (materia) y otra por antipartículas (antimateria), y por supuesto ambas partes eran asimétricas. Por fin los físicos veían una luz, pero ésta se hallaba todavía muy lejos, habían demasiadas cuestiones sin resolver. Aún no se comprendía bien el proceso radiactivo ni el porqué los núcleos estaban juntos en el núcleo sin repelerse.

Fuerzas

Todos sabemos el motivo por el cual los planetas giran en torno al Sol o qué es lo que mantiene a las estrellas formando aglomeraciones llamadas galaxias. La fuerza de la gravedad, descubierta por Newton, es la responsable de que ésto suceda así. Podemos preguntarnos si es ésta la única fuerza que existe en nuestro universo. Los físicos lo tenían claro, no. Es imposible que la fuerza de la gravedad mantenga unidos a los protones en el núcleo dada que ésta es curiosamente una fuerza sólo atrayente que actúa sobre grandes masas. Su alcance es infinito y decrece con la distancia lo que hace que sea poco responsable en los procesos atómicos. En el siglo XIX se descubrió la fuerza electromagnética de alcance también infinito pero mucho más intensa que la gravedad (1038 veces más fuerte). Mientras la gravedad es la responsable de mantener unida las estructuras más masivas el electromagnetismo mantiene ligados los átomos. Ahora bien, los átomos son neutros porque hay tantos protones como electrones, de modo que podríamos cuestionarnos cómo esta fuerza permite mantenerlos unidos. El secreto está en que los distintos componentes del átomo sí tienen carga y son estas partes cargadas las que interactúan con las partes cargadas de otro átomo por medio de un efecto llamado fuerza electromagnética residual. La fuerza electromagnética es de suma importancia pues es la responsable de toda la química, y por extensión de toda la biología.

Si bien es cierto que la gravedad y el electromagnetismo son las fuerzas que más relacionamos con la vida tal y como conocemos, hay otras fuerzas que dado su pequeño alcance, menor que el tamaño del átomo, nos pasan desapercibidas.

La fuerza debil permite la produccion de radiacion y energia en el Sol, asi como la desintegracion de los nucleos atomicos

Desde el descubrimiento de los protones y neutrones, los físicos se encontraban ante una encrucijada. Los protones, cuya carga recordemos es positiva, están apiñados dentro del núcleo de los átomos. Las cargas positivas tienden a repelerse por la acción electromagnética y sin embargo ahí estaban, juntitos todos ellos, ¿qué los mantenía unidos?. Se pensó que debía existir una fuerza análoga, en cierta medida, a la fuerza de la gravedad que mantiene unido a los cuerpos del sistema solar. Se le llamó fuerza nuclear fuerte. Tiene que serlo pues pensemos que de no existir esta fuerza los protones positivamente cargados se repelerían entre sí por la fuerza electromagnética y el núcleo simplemente explotaría. ¿Qué era esta fuerza?, ¿de qué estaba hecha?. Una pregunta difícil que importunó a los físicos durante muchos años. Si tomamos dos imanes y acercamos los polos norte de ambos, uno hacia el otro, los imanes se repelen mutuamente ¡sin tocarse entre sí!. ¿Cómo es posible ejercer una fuerza sobre una cosa sin tocarla?. Los físicos teorizaron sobre la posibilidad de que existieran dos tipos de partículas, las partículas materiales como el protón, el neutrón, el electrón, etc.. y las partículas portadoras de fuerzas. Estas últimas lo que hacen es intercambiarse constantemente con otras a gran velocidad, de forma que el resultado es una atracción o repulsión. En el caso de la gravedad es el gravitón (todavía no descubierto), y la responsable de la fuerza electromagnética es el fotón

Uno podría preguntarse, ¿cómo funciona este intercambio?, ¿por qué han de pasarse información?, ¿qué necesidad tienen de ello?. La primera pregunta la responderé más adelante, en cuanto a las otras, no tengo ni idea, lo único que se sabe es que de no ser así el universo tal y como lo conocemos no existiría ya que los protones no podrían unirse en núcleos más complejos que el hidrógeno (que sólo tiene un protón) y los electrones no podrían tampoco orbitar en torno a los núcleos, es decir, no existirían los átomos.

Como ya he comentado, los físicos especularon con la existencia de unas partículas que fueran las responsables de la fuerza fuerte, que es la que mantienen a los protones y neutrones dentro del núcleo y la fuerza electromagnética que es la que permite a los electrones moverse alrededor del núcleo. En el caso de la fuerza electromagnética es el fotón mientras que la partícula causante de la fuerza fuerte fue deducida matemáticamente por el físico japonés Yukawa en 1935. La diferencia entre ambas fuerzas es que mientras la electromagnética tiene un alcance infinito la fuerza fuerte sólo actúa a una distancia de 10-12 m pero con una intensidad 100 veces superior. Ese es el motivo por el cual el núcleo es tan pequeño. Otra peculiaridad es que no es aditiva, es decir, sus intensidades no se suman como en el caso de la fuerza electromagnética y consecuencia de ello es que el núcleo no puede tener más de 258 partículas (entre protones y neutrones). Un número mayor de partículas haría que las que se encuentran en la periferia estuviesen a expensas de la fuerza electromagnética cuyo efecto sería su expulsión del núcleo.

Poco después de que el físico japonés Hideki Yukawa llegara a la conclusión de que existe una partícula responsable de la fuerza fuerte, el italiano Fermi mostró que debe haber otra fuerza nuclear más débil que la anterior. La fuerza nuclear débil es en realidad la responsable de los decaimientos de núcleos radiactivos y también de que partículas más pesadas decaigan en otras menos pesadas, por ejemplo, un neutrón puede decaer en un protón, en un electrón y un antineutrino.

La fuerza electromagnetica une los electrones a los nucleos. Tambien es la fuerza que mas nos afecta: electricidad, magnetismo, electronica ...

Sigamos con Yukawa. La partícula por él calculada responsable de la fuerza fuerte debía tener una masa aproximada de doscientas veces la del electrón. A esta partícula se le llamó mesón (intermedio) y fue descubierta poco después por Carl David Anderson (el mismo que descubrió el positrón) en los estudios que estaba llevando con los rayos cósmicos. Si bien es cierto que la nueva partícula tenía la masa esperada, 207 veces la del electrón, no era la predicha por Yukawa dado que no interactuaba con los protones y neutrones. Se tuvo que esperar once años para que otro físico, Powell, utilizando los ya famosos rayos cósmicos, encontrase la tan ansiada partícula. Era más pesada de lo que se creía, 273 veces la masa de un electrón, pero sin duda era la responsable de la fuerza fuerte. Ahora los físicos tenían dos partículas con el mismo nombre de modo que había que cambiar el alias de una. Dado que se esperaba que el mesón fuese la partícula de Yukawa se decidió que la partícula de Powell se quedase con el nombre designándose ahora como mesón pi o pión (p) mientras que la descubierta por Anderson once años antes pasó a llamarse muón (m). Por cierto, esta partícula dejó y sigue dejando perplejos a los físicos que no entienden la razón de su existencia puesto que es exactamente idéntica al electrón en todo menos en su masa.

Volvamos a la pregunta que nos habíamos hecho antes, ¿cómo funciona el intercambio de partículas?. Primero hemos de saber que con el tiempo se descubrieron otros dos tipos de mesones pi, totalizando por tanto tres, el p+ (con carga positiva), el p- (con carga negativa) y el p neutro (sin carga). Una forma de ver qué sucede dentro del núcleo donde residen los protones con carga positiva y los neutrones sin carga es imaginándonos un intercambio de identidad. Cuando dos protones se aproximan mucho entre sí, la fuerza electromagnética tiene a repelerlos por ser ambos positivos, pero antes de que se separen demasiado, cada protón emite una partícula p que es absorbida por el otro protón cambiando de identidad, de forma que cada partícula es primero un protón, luego un neutrón a continuación un protón..., y así sucesivamente. O sea, antes del que el protón se dé cuenta de que es un protón y trate de escapar de los protones vecinos, se ha convertido en un neutrón y así se queda donde está. Obviamente este suceso ocurre a una velocidad de vértigo en un lapso de tiempo muy corto (puede ser que en todo esto suceda en 10-24 segundos).

El espín

Desde finales de los años 20 se empezó a estudiar una peculiaridad de las partículas (entonces sólo se conocía el electrón y el protón), su espín. Generalmente se alude al espín como el giro de una partícula, como si de una peonza se tratara, pero ¡ojo!, es una visión incorrecta. La mecánica cuántica muestra que las partículas no tienen un eje bien definido. Otra forma de ver el espín es la imagen que nos muestra una partícula vista desde distintas direcciones. Por ejemplo, una partícula de espín 0 es como un punto, parece la misma desde todas las direcciones. Una partícula de espín 1 es como un triángulo: parece diferente desde cualquier ángulo. Sólo si la giramos 360º la vemos tal como era al principio. Una partícula con espín dos es como un rombo: parece la misma si la giramos 180º. Ahora bien, hay partículas cuyo espín no es un número entero, por ejemplo las hay que tiene un espín ½ y éstas sólo son iguales si las damos ¡dos vueltas completas!. Con el tiempo y a medida que fueron descubriéndose nuevas partículas como el neutrón, el positrón, el muón, etc., se observó que todas tienen una peculiar rotación. Lo curioso es que al girar la partícula, ésta genera un pequeño campo magnético que fue estudiado a mediados de los cuarenta por Otto Stern y el físico americano Isaac Rabí. Incluso el neutrón que no tiene carga tiene espín, o sea, que genera un campo magnético. ¿Pero cómo una partícula sin carga puede generar un diminuto campo magnético?. Esa cuestión está pendiente de resolverse.

Todas las partículas conocidas se pueden dividir en dos grupos. Aquellas dotadas de espín ½ y que son precisamente las partículas que forman la materia, y partículas de espín 0,1 y 2 que son las responsables de las fuerzas entre partículas. Otra factor diferenciador es que las partículas con espín fraccionado están sujetas al principio de exclusión de Pauli que establece que dos partículas en el mismo estado no pueden existir en el mismo lugar y al mismo tiempo. Ésto es difícil de entender pero el lector debe saber que gracias a este principio la materia existe en forma de átomos y moléculas.

Orden dentro de un Caos

A mediados de siglo, la entrada en funcionamiento de los aceleradores desencadenaría una serie de nuevos descubrimientos: aparecen kaones positivos y neutros, mesones pi negativos, mesones pi neutros, otras partículas denominadas lambda y sigma, y un sinfín más. Los físicos se encuentran pronto con un elevado número de partículas que paradójicamente tienen muy poco que ver, por no decir nada, con la materia que forma el universo. Sólo un puñado de éstas son relativamente estables y conforman el mundo en el que vivimos. Otra peculiaridad es que la mayoría de las partículas encontradas obedecen a la fuerza fuerte lo que significa que son de la misma familia que los hadrones. Como ya era hora de poner un poco de orden a este caótico mundo subatómico, todas las partículas se reagruparon en dos grandes familias:

Leptones (ligeros): formado por 6 partículas que no poseen interacción fuerte: los muones (m), los electrones (e), la partícula tau (t) y tres neutrinos (n), correspondientes a cada una de estas partículas. Por supuesto, los seis leptones tienen sus correspondientes antipartículas.

Los leptones son aparentemente indivisibles y pueden existir sin la compañía de otras partículas. De los seis sólo el muón y tauón tiene una vida muy corta, el primero de 2,2x10-6 segundos tras lo cual se desintegra en un electrón y dos neutrinos (un electrón neutrino y un muón neutrino). El tauón vive sólo durante 10-21 segundos tras lo cual se desintegra en un muón y posteriormente en un electrón. Los otros cuatro leptones (el electrón y los tres neutrinos) viven indefinidamente. Por cierto, leptón viene a significar ligero en griego, pero curiosamente el tauón es ¡3.000 veces! más pesado que el electrón, claro que cuando se designó ese nombre para establecer a la familia del electrón aún no se había descubierto la partícula tau (1974).

Hadrones (de una palabra griega que significa fuerte) se subdivide en:

-- bariones: formado por unas 120 partículas entre las que cabe destacar el protón (p) y el neutrón (n) (nucleones) por un lado y unas partículas inestables tales como lambda (l), sigma (S) y xi (X) que poseen mayor masa que la de los nucleones, y que son denominados genéricamente hiperones. El espín de los bariones es ½ ó 3/2. Todos los bariones poseen interacción fuerte. Salvo el protón, todos los bariones son inestables y se desintegran rápidamente en bariones estables más otras partículas. Lambda, sigma y psi viven menos de una diezmilmillonésima de segundo. El neutrón es estable dentro del núcleo en compañía de los protones, pero en solitario tiene una vida media4 de unos 15 minutos tras lo cual se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. En cuanto al protón actualmente se cree que no tiene una estabilidad indefinida pero si muy grande, 10 elevado a 30 años.
--mesones: alrededor de 140 partículas inestables sujetas a la interacción fuerte cuyo espín es siempre un número entero. A este grupo pertenece los mesones pi o piones (p), los mesones K o kaones (K) y el mesón eta (h). Sus vidas medias son también muy cortas. De todas ellas, el mesón pi o pión juega (como ya hemos visto) un papel importante en la estabilidad del núcleo.

Partículas con "encanto"

A los físicos de mediados de siglo les parecía abrumador el número de partículas que quedaban bajo la influencia de la fuerza fuerte. Sólo hay que verlo, casi 300 hadrones (por ahora) por sólo seis leptones. Muy extraño, sin duda, por ello algunos empezaron a dudar sobre la indivisibilidad de los hadrones. ¿Es posible que un protón, un neutrón o incluso un mesón, que como ya hemos visto es el responsable de unir a los nucleones, estén formados por partículas más pequeñas?.

Todos hemos oído hablar en alguna ocasión de los quark como las partículas fundamentales sobre la que se basa la materia. En realidad no es del todo cierto, seríamos más exactos si dijésemos que por ahora son algunos quarks junto algunos leptones los ladrillos constitutivos de la materia ordinaria. La teoría de los quarks es bastante reciente y surgió cuando en la década de los 60 empezaron a observarse ciertas discrepancias. Los hadrones por ejemplo, eran mucho más pesados que los leptones y formaban subfamilias, por un lado el protón y el neutrón que eran prácticamente idénticos excepto por su carga y su pequeñísima diferencia de masa, y por otro lado estaban las partículas sigma y pi con masas muy parecidas entre ellas. Los físicos intentaban encontrar una simetría entre los distintos grupos y sus relaciones con los mesones. Ésto llevó a pensar en la posibilidad de que los hadrones no fueran exactamente partículas elementales sino que estaban constituidas por otras mucho más pequeñas y menos pesadas. A principios de 1964 dos físicos, Gell-Mann y George Zweig, independientemente, hicieron notar que las simetrías observadas hasta entonces podían ser explicadas si se suponía la existencia de subpartículas, que Gell-Mann llamó quarks. ¿Por qué las llamó así?. Muy sencillo, porque le dió la gana a Gell-Mann, aunque para ser sinceros la palabra no es suya, se inspiró en el verso "Three quarks for Muster mark" que aparece en la novela Finnegans Wake de James Joyce.

La fuerza fuerte mantiene unidas las particulas elementales, quarks y gluones

Todos los hadrones estarían formados por estos quarks. Es curioso cómo los científicos cambiaron la nomenclatura griega, tan habitual en el mundo subatómico, por otra aparentemente más frívola y al mismo tiempo más divertida. Así por ejemplo el modelo presentado inicialmente por Gell-Mann nos muestra la existencia de tres quarks llamados up (arriba), down (abajo) y strange (extraño). Este último se le denominó así por considerar que formaba parte del mesón K que ya anteriormente se le consideraba un mesón extraño dada su longeva vida. Sin embargo, existía un inconveniente: los quarks deberían tener por carga eléctrica una fracción de la carga del electrón, concretamente -1/3 para d y s, y 2/3 para u (nótese que hemos introducido abreviaturas para los 3 quarks). Partículas con esa propiedad deberían ser fáciles de identificar y, sin embargo, jamás se habían visto. ¿Era un simple juego malabar para reproducir lo observado, o habría una explicación física que lo respaldase?. Ni siquiera el mismo Gell-Mann se lo tomaba demasiado en serio. A pesar de eso la carrera por encontrar quarks no había hecho más que empezar. Un mar de dudas sobrevolaba las cabezas de los físicos; ¿qué une a los quarks?, ¿por qué no se unen en grupos de cuatro o más, ¿por qué los núcleos no colapsan en una sopa de quarks?.

En el modelo original de Gell-Mann para construir bariones, era necesario introducir dos, y hasta tres quarks idénticos. Ésto contravenía el principio de Pauli. Si los quarks tenían espín semientero quiere decir que son fermiones y por tanto no pueden ocupar el mismo estado teniendo las mismas propiedades. Por ese motivo fue introducido el concepto de color del quark. Debemos entender el color como una carga que, contrariamente a la carga eléctrica que sólo posee dos valores (positiva o negativa), en este caso existen tres cargas de color. Se indica, por tanto que cada quark puede existir en tres formas coloreadas: amarilla, azul y roja (señalemos que la mezcla de estos tres colores da el color blanco nulo). De esta manera los quarks que forman el protón (up-up-down) tienen coloraciones diferentes y el principio de Pauli no se infringe. Según ésto los bariones están formados por tres quarks individuales, y los mesones por un quark y un antiquark. Antes de continuar quiero dejar bien claro que el color del quark no tiene nada que ver con los colores tal y como nosotros lo entendemos. Es simplemente una forma de hablar, quizás a los físicos modernos les ha gustado "colorear" un poco sus grises teorías.

El modelo quark no fue aceptado abiertamente hasta finales de los 60 sobre todo porque no existía evidencia física, además ¿cómo se podían estar confinados los quarks dentro de los bariones, existía acaso una quinta fuerza aparte de las ya conocidas: fuerte, débil, electromagnética y gravitatoria?. Había otra duda, ¿cómo se podía explicar la extensa colección de hadrones con sólo tres quarks?. Ya que los leptones tenían cierto patrón, varios trabajos sugirieron la existencia de un cuarto quark. Ayudado de aceleradores de partículas, los físicos no sólo detectaron los quarks predichos sino que acabaron por encontrar otros dos, el quark: charmed (encanto) y bottom (fondo) en 1974 y 1977 respectivamente. Dado que a los físicos les parecía más lógico que los quarks formaran parejas, buscaron denodadamente el último quark que fue finalmente hallado en experimentos llevados a cabo en el Laboratorio Nacional Fermi en 1995. Se llamó a este sexto quark top (cima). No fue una tarea fácil dado que dicho quark decae tan rápidamente que prácticamente es imposible observarlo. Un quark top aparece sólo en una de varios millones de colisiones, de modo que fue necesario realizar trillones de colisiones para producirlo. No se le puede observar pero deja un rastro tras de sí, partículas que dan un registro de su existencia.

Los físicos siguen sin entender por qué el quark top es tan masivo. Es 40 veces más pesado que el inmediatamente inferior en masa, y cerca de 35.000 veces más pesado que los quarks up y down, que conforman la mayor parte de la materia que vemos a nuestro alrededor. Otra peculiaridad de los quarks es que nunca aparecen aislados en la naturaleza. Siempre están por parejas o tríos.

Puntualizaciones sobre la fuerza fuerte

Aún quedaba pendiente el asunto de la fuerza que mantenía a los quarks confinados dentro de los hadrones. Pronto se comprendió que lo que hasta ahora se creía que era la fuerza fuerte, es decir, aquélla que mantenía a los protones y neutrones dentro del núcleo por el intercambio de mesones pi, no era más que una fuerza fuerte residual, siendo la auténtica fuerza fuerte la que mantiene unidos a los quarks. Por supuesto, la responsabilidad de ésta recae en otras partículas denominadas gluones (pegamento), ocho en concreto. Éstos, como los fotones, son partículas neutras, sin masa y con espín 1 que están confinados dentro de los hadrones (bariones y mesones) y al igual que los quarks, no se pueden aislar. Todo lo relacionado con la fuerza fuerte, los quarks y su confinamiento es estudiado por una parte de la física denominada cromodinámica cuántica.

Resumen

Después de todo este barullo de cosas vamos a poner un poco de orden. Primero, los físicos creen que pueden explicar la naturaleza de toda la materia con sólo leptones y quarks. Sin embargo, lo más curioso de todo es que no se necesitan los seis leptones y los seis quarks para formar la materia y por extensión nuestro universo. En realidad los físicos han observado que todo está formado por sólo dos leptones (electrón y neutrino electrónico) y los dos quarks más livianos (up, down). Entonces, ¿para qué diablos necesitamos los restantes leptones y quarks?. Ni idea, lo único que se sabe es que los leptones y quarks que no forman parte de la materia son partículas que decaen rápidamente. Hoy, el modelo estándar ha clasificado estas partículas elementales en tres generaciones, siendo las partículas de la primera generación las únicas responsables de la materia conocida. A fin de cuentas ni siquiera se sabe porqué las partículas deben tener masa ni siquiera la causa de la generación y distribución de sus masas. Los físicos no pueden predecir la masa de una partícula ya que no existe ninguna fórmula matemática que permita saber de antemano cuál va a ser la masa de una nueva partícula.

En el laboratorio Europeo de Fisica de Particulas (CERN) fueron descubiertos los bosones W y Z responsables de la fuerza debil. Fue en el CERN donde nació la famosa World Wide Web (WWW) con la que hoy nos movemos por la red en internet. El LHC (gran colisionador de Hadrones) buscara los bosones Higgs y nuevas particulas y fuerzas fundamentales.

Una de las metas de la física es juntar teorías, aparentemente no relacionadas, en una única teoría unificada, simple. Eso es lo que intentan hoy en día los físicos de partículas, unificar las interacciones fuertes, débiles, y electromagnéticas en una "Teoría de Gran Unificación". Al fin y al cabo ¿por qué no pueden ser estas tres fuerzas distintas manifestaciones una de otra de la misma forma que el hielo, el agua y el vapor son manifestaciones del H2O?.

La unión hace la fuerza Efectivamente el fin es la unificación de todas las fuerzas. Si bien actualmente no se ha conseguido (se requiere energías fuera todavía de nuestro alcance), si bien es cierto que al menos han conseguido unir dos de ellas, la débil y la electromagnética en lo que se conoce como fuerza electrodébil. Pensemos que la unificación de estas dos fuerzas exige energías del orden de cien mil millones de electrón voltios mientras que se cree que la unión de las tres fuerzas nucleares requeriría energías superiores a los 10 elevado a14 miles de millones de electrón voltios ¡ mayor que la energía de todas las galaxias juntas!. Más energía aún si quisiéramos unir a estas tres la fuerza de la gravedad. Un reto imposible. Pero sigamos con la unificación de la electromagnética y la fuerza débil, que sí ha sido posible recrearla en los actuales aceleradores de partículas.

A finales de los cincuenta se sugirió que las responsables de la fuerza débil eran dos partículas pesadas denominadas bosones W+ y W- (todas las partículas portadoras de fuerza se denominan bosones). En 1967 los físicos Steven Weinberg y Abdus Salam propusieron una teoría que unificaba las interacciones electromagnéticas y débiles formando la interacción electrodébil. Sus teorías requieren la existencia de un bosón neutro (ahora llamado el Z0) que sea el mediador de la interacción débil; ese bosón no había sido observado aún en aquel tiempo, de hecho fue en 1983 cuando se encontraron los bosones W+, W- y Z0 en el sincrotrón del CERN. Estas partículas son muy pesadas, casi 100 veces más pesadas que el protón. Si por ejemplo lanzamos un neutrino sobre un electrón o un quark, sólo interaccionará con ellos mediante el intercambio de partículas W y Z, pero como éstas son tan pesadas el neutrino debe aproximarse mucho para que el intercambio sea efectivo. Ésto es algo parecido a lo que sucedería si dos jugadores se pasasen una pelota, si ésta fuera de golf podrían estar a bastante distancia el uno del otro, pero si la pelota pesase mucho (como una bola de hierro), los jugadores tendrían que estar muy próximos entre sí para pasársela.

Las partículas W y Z no se encuentran en la materia ordinaria ya que su vida es muy efímera (10 elevado a -24 segundos) desintegrándose rápidamente en pares de quarks o leptones más energía.

En definitiva, ¿se pretende decir ahora que la fuerza débil y electromagnética es la misma cosa?. Efectivamente, lo que sucede es que a bajas energías, en la que nos movemos, los bosones W y Z por un lado y los fotones por otro parecen ser partículas diferentes, cuando en realidad es el mismo tipo de partícula en estados diferentes. A altas energías todas estas partículas se comportan del mismo modo. Podemos comprender esta situación con un ejemplo. Supongamos una avioneta con una sola hélice de cuatro aspas. Cuando el motor del avión está parado, es decir, en un estado de baja energía, observamos las cuatro aspas en reposo, de forma que podemos asegurar que cada aspa es independiente. Pero si ponemos en marcha la avioneta, la hélice girará a gran velocidad. ¿Qué es lo que observamos en ese estado de alta energía?. ¡Una sólo aspa!. Efectivamente, a elevada energía las cuatro aspas de la hélice se comportan como una sola.

Consideraciones finales

El mundo de las partículas subatómicas es un universo desconocido y desconcertante, tan pequeño que a falta de ver a sus protagonistas, nos los imaginamos. Pero también a fuerza de imaginar para comprender su mundo, nos alejamos de una realidad que se nos hace imposible de describir. Las partículas no son pequeños perdigones agitándose con nervio dentro de diminutas esferas, pero ¿de qué otro modo podríamos representar algo que jamás se ha visto y cuyo tamaño puede que sea nulo?. Por supuesto que se han descubierto muchas partículas, pero no es menos cierto que lo que han visto los físicos no son las partículas en sí, sino los rastros que dejan grabados en placas fotográficas y que demuestran que aunque no las observemos, ahí están.

Tampoco hemos de creer que los físicos lo saben todo sobre el mundo subatómico. El modelo estándar ha proporcionado muchas respuestas sobre la estructura interna de los átomos, pero por otro lado plantea muchas preguntas que todavía no tienen contestación. ¿Por qué hay tres generaciones de quarks y leptones?, o ¿por qué no se puede predecir la masa de una partícula?. ¿Dónde encaja la fuerza de la gravedad?. ¿Por qué el bosón W es muy masivo y en cambio el fotón no tiene masa, si ambos son portadores de fuerza?. Buscar las respuestas supondrá invertir en nuevos y más potentes aceleradores. Quizás en un futuro no muy lejano alcancemos a vislumbrar un poco de luz sobre este microcosmos, cuyos componentes son la piedra angular sobre la que se ha edificado nuestro universo.