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Particle Zoology. Our present understanding
of the basic constituents of matter and the interaction between them is
reviewed briefly. The existence of three different families of fundamental
particles seems to relate to the matter-antimatter asymmetry of the Universe.
¿De qué está hecha la materia? ¿Cuáles
son sus constituyentes últimos? Esta pregunta ha estado siempre
presente a lo largo de la historia y el concepto de constituyente elemental
ha ido evolucionando en paralelo al desarrollo del conocimiento científico.
En la cultura griega, a partir de Empédocles, la respuesta eran
los cuatro elementos básicos: aire, agua, tierra y fuego. Veinticinco
siglos después, Dimitri Mendeliev estableció la tabla periódica,
una clasificación de todos los elementos químicos (más
de 100 en la actualidad) en familias que tienen las mismas propiedades.
El modelo griego es conceptualmente superior por su simplicidad, pero es
erróneo, ya que no explica las propiedades de la materia. La clasificación
de la tabla periódica es correcta y es la base de la química,
pero tiene un número demasiado elevado de constituyentes elementales
para poder ser considerada como la explicación fundamental del mundo
físico.
El desarrollo posterior de la física atómica, molecular
y nuclear nos ha permitido comprender que las regularidades de la tabla
periódica son debidas a la existencia de una subestructura más
simple. Los átomos son nubes de electrones con carga eléctrica
negativa orbitando alrededor de un núcleo con una carga eléctrica
igual pero positiva; a su vez, el núcleo está formado por
protones y neutrones, ambos denominados nucleones. Los neutrones, con propiedades
parecidas a las del protón, pero sin carga eléctrica, estabilizan
los núcleos pesados, porque contribuyen a la atracción fuerte
entre los nucleones sin incrementar la repulsión electromagnética.
Los diferentes elementos químicos corresponden a átomos con
un número diferente de electrones. Los isótopos químicos
son átomos con idénticas propiedades químicas (número
Z de electrones y protones), pero con un número diferente de neutrones
en el núcleo y por tanto con masas diferentes. La interacción
electromagnética entre los electrones y los núcleos atómicos,
regida por las leyes de la mecánica cuántica, es, pues, responsable
de la estructura atómica y por tanto de todas las propiedades químicas,
biológicas, etc., es decir, del entorno macroscópico que
nos rodea.
Tenemos, pues, una explicación extremadamente simple y rigurosa
de la materia, en términos de tan solo tres partículas elementales,
electrón, protón y neutrón, y dos interacciones básicas,
electromagnética y fuerte (la gravedad es despreciable en el terreno
microscópico). Esta descripción representa uno de los progresos
conceptuales más importantes del conocimiento científico,
pero es incompleta, como ahora veremos.
En 1928 P. A. M. Dirac demostró teóricamente que la combinación
de los principios de la mecánica cuántica y la teoría
de la relatividad especial implicaba necesariamente la existencia de la
antimateria: toda partícula debe tener la correspondiente antipartícula
con idénticas propiedades, pero con la carga opuesta. Cuatro años
más tarde se descubría el positrón (el antielectrón)
en los rayos cósmicos que caen sobre la Tierra. El descubrimiento
del antiprotón y del antineutrón no llegaría hasta
los años cincuenta, cuando los primeros aceleradores de partículas
fueron capaces de producirlos.
Desde los primeros estudios de la radiactividad natural, los científicos
se habían topado con un problema aparentemente irresoluble dentro
del marco teórico conocido. Algunos núcleos son capaces de
transmutarse en un núcleo diferente, cambiando la carga nuclear
en una unidad, emitiendo radiación ß
(que consiste en un electrón o en un positrón). Este fenómeno
corresponde a una transmutación, dentro del núcleo, entre
los dos tipos de nucleón, es decir un neutrón se desintegra
en un protón y un electrón o un protón se transforma
en un neutrón y un positrón. Hay por tanto una fuerza adicional
de muy baja intensidad, denominada interacción débil, que
es capaz de cambiar la interacción de los nucleones. El problema
es que en este proceso de transmutación siempre desaparece energía,
en contradicción con el principio de conservación más
firme de la ciencia.
En 1930, W. Pauli inventó una solución estrambótica:
en la desintegración ß
se produce una tercera partícula, el neutrino, que se escapa con
la energía que falta. El neutrino no tiene ni carga eléctrica,
ni interacción fuerte y por tanto es una especie de fantasma indetectable.
Como tiene solamente interacción débil, un neutrino es capaz
de atravesar una nube de hidrógeno tan grande como el universo sin
topar con un solo átomo. De hecho Pauli pensaba que nadie sería
capaz de detectar nunca un neutrino. Y se equivocó.
La primera observación de un antineutrino se hizo en los años
cincuenta, colocando un detector en una barraca al lado de un reactor nuclear
que producía un gran número de neutrones. Como los neutrones
se desintegran, del reactor se escapaban 1013
antineutrinos por segundo y cm2,
de los cuales solamente se pudo observar en el detector las señales
(interacciones) de unas decenas. También el Sol es una fuente muy
intensa de neutrinos, a causa de las reacciones nucleares originadas en
su seno. Cada segundo 1012
neutrinos solares atraviesan nuestro cuerpo sin que nuestras células
noten, afortunadamente, su presencia. También de noche nos llegan
¡atravesando la Tierra! La detección de estos neutrinos nos
permite estudiar el interior del Sol y sus mecanismos de funcionamiento.
Cuatro partículas (neutrino, electrón, protón
y neutrón) y sus correspondientes antipartículas parecen,
pues, suficientes para describir nuestro mundo. Sin embargo, hay otro nivel
de subestructura dentro de los nucleones. El protón y el neutrón
pertenecen a una numerosa familia de partículas con interacciones
fuertes, denominadas hadrones. Primero se descubrieron los piones
en los rayos cósmicos y después los aceleradores comenzaron
a producir un gran número de nuevas partículas, todas ellas
inestables, que se desintegran rápidamente. Los hadrones no son
elementales: se componen de unas entidades más pequeñas:
los quarks. Las fuerzas que unen los quarks
son tan intensas que están siempre confinados dentro de los hadrones,
siguiendo unas reglas peculiares debidas a la dinámica de la interacción
fuerte. Los hadrones corresponden a estructuras formadas por tres quarks
(bariones), por tres antiquarks (antibariones) o por un quark y un antiquark
(mesones). Dentro de los nucleones descubrimos dos tipos de quarks, denominados
u
(up) y d (down). Un protón es un estado
uud
y un neutrón tiene la composición udd. Así
pues, los quarks tienen una carga eléctrica fraccionaria: +2/3 el
u
y -1/3 el d. Las posibles combinaciones de estos tipos de quarks
y los respectivos antiquarks originan una gran variedad de hadrones.
Finalmente tenemos una tabla de constituyentes elementales que, como
la de Empédocles, tiene solamente cuatro entidades básicas:
dos quarks (u y d) y dos leptones
(neutrino y electrón). La moderna teoría cuántica
de campos da una descripción rigurosa de su dinámica. Las
interacciones fuertes de los quarks son gobernadas por las leyes de la
cromodinámica cuántica, mientras que la teoría unificada
electrodébil describe correctamente las otras dos interacciones.
Es una descripción simple y poderosa, pero de nuevo incompleta.
En los años cuarenta apareció en los rayos cósmicos
un primo del electrón: el muón. En el 1975, en el
acelerador de Stanford, se descubrió el leptón tau.
El muón y el tau son idénticos al electrón, pero mucho
más pesados (200 y 3.000 veces más respectivamente). Son
inestables y acaban transformándose en electrones. Y por no quedarse
sólo, también el neutrino (electrónico) tiene dos
primos: los neutrinos muónico y tauónico (la
primera observación directa del neutrino tauónico se ha producido
recientemente). Los quarks también presentan una repetición
similar. Hay tres quarks diferentes con carga +2/3, u, c
(charm) y t (top), y tres con carga -1/3, d,
s
(strange) y b (beauty). Las numerosas combinaciones
posibles de todos estos quarks dan lugar a centenares de partículas
hadrónicas: un verdadero zoológico de nuevas formas de materia
que es necesario investigar.
Por otro lado, las diferentes fuerzas tienen en sus propios cuantos
o unidades básicas de transmisión de la interacción.
La fuerza electromagnética es debida al intercambio de fotones;
los fotones forman la luz, las ondas de radio y televisión,
los rayos X, etc. La interacción fuerte viene mediada por 8 gluones;
como los fotones, son cuantos sin masa ni carga eléctrica y dan
lugar a interacciones de largo alcance que viajan a la velocidad de la
luz. La interacción débil es de muy corto alcance y se produce
por el intercambio de 3 cuantos muy masivos, los bosones W±
y Zº, que han sido descubiertos e investigados en el CERN durante
los últimos diez años. Además, se piensa que también
la gravitación tiene su cuanto, naturalmente llamado gravitón.
Paradójicamente, la primera interacción conocida, la gravitación,
es ahora mismo un gran problema. Se sabe que el fotón y los bosones
W+ y Zº
están estrechamente relacionados por una simetría que se
rompe a bajas energías; en condiciones de mayor temperatura las
interacciones electromagnética y débil se confunden y no
son más que una sola interacción: la electrodébil.
Igualmente, a temperaturas todavía mayores habrá una unificación
de esta interacción con la interacción fuerte, y hay teorías
para describir esta unificación, así como evidencias en este
sentido. La unificación con la gravedad, sin embargo, es más
complicada tanto desde el punto de vista teórico como experimental.
Las temperaturas para observar la hipotética unificación
son enormes, como las que existían al inicio del Big Bang. He aquí
otro aspecto interesante e insospechado hace unas decenas de años:
el mundo microscópico de los constituyentes elementales y el mundo
macroscópico del universo se encuentran cara a cara. Por eso los
grandes aceleradores de partículas pueden dar una idea de cómo
se comportaba la materia en las condiciones que existían justo después
del Big Bang.
La física actual se encuentra en una situación bastante
parecida a la de la química en la segunda mitad del siglo XIX. La
tabla de constituyentes elementales de la materia tiene ahora tres familias
de objetos básicos, con dos quarks y dos leptones cada una (más
las correspondientes antipartículas), que describen perfectamente
todos los fenómenos conocidos. La dinámica de las tres fuerzas
involucra el intercambio de doce cuantos adicionales. La nueva proliferación
de entidades elementales nos vuelve a plantear la misma pregunta: ¿existe
una subestructura más simple? Tampoco conocemos qué dinámica
determina las diferentes masas de los constituyentes. La teoría
actualmente aceptada predice la existencia de un cuanto adicional, relacionado
con la generación de escalas de masas: el bosón de Higgs.
El descubrimiento de esta partícula, el último anillo del
marco teórico conocido, será el objetivo del nuevo acelerador
LHC que ahora comienza a construirse en el CERN. También desconocemos
por qué existen tres familias de constituyentes, pero parece que
eso tiene alguna relación con la práctica ausencia de antimateria
en nuestro universo. Pensamos que en los primeros 10 -10
segundos después del Big Bang se produjo una pequeña asimetría
entre materia y antimateria. La antimateria se habría aniquilado
con la materia, fenómeno que produjo radiación energética
(fotones y gluones), y el exceso de materia habría originado nuestro
universo tal y como lo observamos.
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