sábado, septiembre 20, 2008

Esas maravillosas partículas





El texto de Esas maravillosas partículas por Pedro Gómez-Esteban, salvo donde se mencione explícitamente, está publicado bajo Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.

Los WIMPs
Jun 2008

Continuamos hoy nuestro recorrido por el mundo de las partículas subatómicas en la serie Esas maravillosas partículas. En el último artículo de la serie hablamos acerca de la materia oscura que, como recordarás si leíste el artículo, es la forma chic de decir “cosas que pensamos que están ahí pero no tenemos ni idea de lo que son ni las podemos ver”.

En aquella entrada decíamos que existen dos posibilidades para explicar la materia oscura, si realmente hay algo ahí fuera que no vemos: una posibilidad es la materia oscura bariónica, fundamentalmente en forma de MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, Objetos Astrofísicos de Halo Masivos y Compactos). De esa posibilidad hablamos en el artículo anterior; es la menos interesante puesto que no requeriría de partículas subatómicas exóticas. Sin embargo, también espero que recuerdes que dijimos entonces que el nombre de MACHO era una broma debida al nombre de las partículas más representativas de la segunda posibilidad, la materia oscura no bariónica. De ellas hablaremos en la entrada de hoy: los WIMPs.

La mayor parte de las entradas de esta serie son bastante abstractas, de modo que estás avisado; además, parto de la base de que sabes lo que es un neutrino, las diferencias entre ellos y los neutrones, el concepto de vida media, etc. En resumen, si no has leído esta serie hasta ahora mi consejo es que empieces por el principio. Dicho esto, vamos con los WIMPs.

Aunque las partículas responsables de la materia oscura no bariónica – si ésta existe – sean desconocidas, de lo que nadie tiene la menor duda es de que deben tener propiedades bastante concretas para que representen un porcentaje tan grande de la masa del Universo pero no consigamos verlas. La más importante de estas propiedades es que no deben interaccionar mediante la fuerza electromagnética: deben ser neutras.

Si no lo fueran, emitirían radiación electromagnética en cuanto sufrieran aceleración, y además reflejarían parte de ella, la absorberían y emitirían de nuevo, etc. Es muy difícil para una partícula cargada permanecer “invisible”, y menos aún para una cantidad tan grande de ellas como hace falta para explicar el defecto de masa del Universo visible. Además, estas partículas hipotéticas deben tener masa — puesto que precisamente eso es lo que nos falta por ver al mirar a nuestro alrededor. Finalmente, estas partículas no deben interaccionar con la materia “normal” en la mayor parte de los casos, o hubiéramos notado su presencia hace mucho tiempo.

¿Qué opciones tenemos en el Modelo Estándar de partículas subatómicas, al que dedicamos la primera parte de esta serie? La verdad es que solamente una: ya sé que lo primero en lo que probablemente vas a pensar es en el neutrón (tiene masa y es neutro), pero recuerda que los neutrones libres son inestables, y en unos quince minutos se desintegran. Por algo se habla de materia oscura no bariónica — los neutrones son bariones, y cuando se asocian a otros bariones, como los protones, forman materia “normal”, y ya hablamos de los problemas que eso supone para explicar la materia oscura en el artículo anterior.

Existen algunas otras partículas más en el modelo estándar que no tienen carga, como algunos mesones, pero no son estables, de modo que tampoco pueden explicar la existencia de esta materia o hubiera desaparecido (convirtiéndose en materia visible y fotones) hace muchísimo tiempo. Algo parecido sucede con el bosón de Higgs: es neutro y tiene masa, pero su vida media es minúscula, con lo que no puede ser el responsable de toda la masa que falta. No, el único candidato serio del Modelo Estándar es el “neutrón pequeñito”, el neutrino.

El neutrino tiene masa, es estable, es neutro y apenas interacciona con nada: de hecho, como espero que recuerdes si leíste el capítulo dedicado a él, nos costó bastante detectarlo a pesar de que una cantidad inimaginable atraviesa la Tierra y nuestros cuerpos cada segundo. En principio, la enorme cantidad de materia que no vemos podría estar simplemente compuesta de neutrinos.

El problema es que los neutrinos tienen una masa muy, muy pequeña: por lo tanto se mueven muy, muy rápido. De ser los responsables de la materia oscura, ésta sería materia oscura caliente, es decir, compuesta por partículas que se mueven a gran velocidad. Y los modelos cosmológicos nos indican que si hubiera habido siempre tal cantidad de materia en forma de neutrinos el Universo debería ser algo mucho más homogéneo de lo que es: sin embargo, la materia (incluida la materia oscura) se encuentra “apelotonada” en galaxias y cúmulos de galaxias, algo que –según nuestros modelos actuales, que podrían estar errados es incompatible con la materia oscura caliente.

La única solución sería la materia oscura fría no bariónica: partículas neutras, estables, que apenas interaccionen con nada y además con bastante más masa que los neutrinos, de modo que se muevan mucho más despacio y permitan la existencia de acumulaciones de materia como vemos en el Universo a nuestro alrededor. No hay ninguna partícula así en el Modelo Estándar, de modo que aceptar su existencia significa automáticamente ampliar el Modelo. Estas partículas hipotéticas serían una suerte de “súper-neutrinos”: Partículas Masivas de Interacción Débil; en inglés, Weakly Interacting Massive Particles, es decir, WIMPs.

De ahí, como dijimos en el anterior artículo, el nombre de MACHOs: en inglés, “wimp” significa “enclenque, calzonazos”. Puesto que los objetos astronómicos hechos de materia bariónica son la alternativa fundamental a los WIMPs, se les dio el nombre de MACHOs en broma, como “alternativa a los enclenques”. Pero ahora en serio, si existen, ¿cómo diablos detectar los WIMPs?

Al igual que en el caso de los neutrinos, la cosa no es sencilla. Estamos postulando la existencia de una o más partículas subatómicas que son, por definición, muy difíciles de detectar: ¡si no, ya lo habríamos hecho hace mucho tiempo y no estaríamos hablando de “materia oscura”! La única manera de detectar un WIMP es si, por pura chiripa, impacta de lleno sobre el núcleo de algún átomo, aunque esto es altamente improbable — la sección eficaz de estos impactos es minúscula.

Por otra parte, si los WIMPs realmente representan un porcentaje muy grande de la masa del Universo, probablemente están por todas partes. De hecho, los modelos actuales que proponen su existencia predicen que hasta miles de billones de ellos (1015) atraviesan cada kilogramo de tu cuerpo cada segundo: en estos modelos nuestra Galaxia (como todas las demás) está inmersa en una especie de halo de WIMPs, una niebla invisible que lo envuelve todo. Aunque la probabilidad de que choquen con algún núcleo sea minúscula, al igual que sucede con los neutrinos, hay tal cantidad de ellos que es prácticamente inevitable que alguno choque de vez en cuando.

El problema, por supuesto, es detectar el choque. Existen diversos experimentos que tratan de hacerlo, y básicamente son de tres tipos. Por un lado, un número ingente de estos WIMPs (si existen, claro) atraviesan el Sol cada segundo, y la masa de nuestra estrella es gigantesca, de modo que muchos de ellos están impactando contra núcleos de átomos del Sol en este momento. Utilizando modelos podemos predecir el tipo de partículas que se producirían en esos choques, y entre ellas deben estar neutrinos muy energéticos. El detector de neutrinos Súper-Kamiokande trata de detectar estos neutrinos procedentes de impactos de WIMPs según hablamos, aunque hasta ahora no ha tenido éxito.

El segundo modo de detectar estos WIMPs es de manera similar a la que se utiliza para detectar neutrinos: cuando el WIMP choca con el núcleo atómico y éste es empujado, se mueve bruscamente y emite radiación electromagnética, es decir, fotones. Detectando estos fotones podemos saber que se ha producido ese choque: desde luego, hacen falta las mismas precauciones que para detectar neutrinos, de modo que no confundamos fotones que no tengan nada que ver con los que queremos observar.

El principal experimento de este tipo fue el DAMA/NaI se desarrolló entre 1996 y 2002 en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso, en Italia. En él se utilizaron cristales de yoduro de sodio (NaI) de unos 10 kg cada uno, rodeados de tubos fotomultiplicadores como los del Súper-Kamiokande. A partir de los fotones detectados y eliminando las detecciones que se corresponden con otras causas “explicadas”, se trató de determinar la existencia de WIMPs y alguna de sus características, además de comprobar si la época del año modifica la frecuencia de detección.

No, no es que en invierno haya “lluvias de WIMPs“, pero casi: el Sol se mueve respecto al centro de la Vía Láctea a una velocidad de unos 800.000 Km. /h, y la Tierra con él. Si la Galaxia está envuelta en WIMPs y éstos no giran con la misma velocidad que nuestra estrella, nos movemos como un coche en la lluvia, recibiendo impactos de gotas continuos en el parabrisas (sólo que las gotas son los WIMPs, claro). Sin embargo, la Tierra gira alrededor del Sol, de modo que a veces nos movemos más rápido contra la “lluvia de WIMPs” y a veces más lentamente. Como consecuencia, es posible que la frecuencia de choques de estas partículas varíe con la época del año.

De hecho, el experimento DAMA/NaI detectó impactos contra los átomos del cristal que son compatibles con las características de los WIMPs, y verificó una variación estacional de los sucesos de detección. Sin embargo, muchos científicos no están demasiado convencidos: por un lado, no se han verificado los resultados en ningún otro detector (hay unos cuantos), y además el argumento principal del DAMA/NaI es precisamente la variación estacional, que podría tener otras razones que no fueran la “lluvia de WIMPs“, y tal vez en este experimento no se hayan descartado realmente todas las otras partículas que pueden haber producido los impactos.

Los científicos del mismo laboratorio Gran Sasso ya tienen algún detector más sensible, y están diseñando otros aún mejores, para comprobar si las detecciones del DAMA/NaI fueron engañosas o realmente hay algo detrás. Hasta ahora, los sucesores del DAMA/NaI no han encontrado nada.

Finalmente, el tercer modo de detectar estos WIMPs es notando el choque entre la partícula y el núcleo contra el que impacta como una vibración del material. Esto es, como puedes comprender, muy complicado: los átomos de cualquier material se están moviendo todo el tiempo, vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio e incluso “revoloteando” libremente según la fase en la que esté la materia. Notar el movimiento brusco de un átomo cuando es empujado por un WIMP no es tarea fácil pero, aunque resulte sorprendente, tampoco es imposible.

El experimento CDMS (Cryogenic Dark Matter Search, Búsqueda Criogénica de Materia Oscura) se desarrolla actualmente en la mina de Soudan, en los Estados Unidos. Allí, los científicos tienen discos semiconductores de silicio y germanio, enfriados hasta temperaturas de prácticamente el cero absoluto (tan sólo unos 0,05 K) para que sus átomos estén prácticamente quietos. Cuando una partícula penetra en el material se producen movimientos bruscos de los electrones (si la partícula está cargada), y si el impacto es contra el núcleo se produce una onda de sonido producida por ese átomo al desplazar a los que tiene alrededor en su vibración.

Sí, es exactamente lo que piensas que es: los científicos están tratando de oír a los WIMPs, aunque lo hacen midiendo las diferencias en la resistencia eléctrica del material cuando pasa la onda sonora y lo calienta levemente. Analizando los movimientos de los electrones y los núcleos, pueden determinar qué tipo de partícula ha impactado. Hasta ahora no han detectado ni el más mínimo murmullo procedente del impacto de una de estas partículas hipotéticas, pero siguen aumentando la sensibilidad del aparato todo el tiempo de modo que veremos qué pasa.

Desde luego, es perfectamente posible que, según estos instrumentos aumenten su sensibilidad, lleguemos a una conclusión negativa. Los modelos de WIMPs les dan unos intervalos de valores para la masa y la sección eficaz de sus interacciones con los núcleos de los átomos ordinarios. Cada vez que el CDMS y otros como él aumentan su sensibilidad y no detectan nada, disminuyen como consecuencia la máxima sección eficaz. Es posible que llegue un momento en el que sus resultados invaliden los modelos de WIMPs de que disponemos, en cuyo caso probablemente habrá que buscar otra explicación a la materia oscura.

Si, por el contrario, confirmamos la existencia de estos WIMPs, ¿cuál sería su naturaleza y dónde encajarían con las otras partículas? Hay varias partículas hipotéticas cuyas características teóricas son compatibles con las de los WIMPs, pero el candidato teórico a WIMP más aceptado de todos será el objetivo de la siguiente entrada de la serie (en la que también hablaremos del concepto de súper simetría): el neutralino.

Para saber más:
WIMPs. Una vez más, la entrada en español es brevísima. Lo digo para los wikipedistas que frecuentáis El Tamiz.
CDMS
DAMA/NaI


2 Esas maravillosas partículas - El fotón

Antes de continuar la serie Esas maravillosas partículas, a sugerencia vuestra, vamos a pararnos un momento y recapitular. ¿Qué partículas hemos estudiado hasta ahora? Geli ha hecho un pequeño diagrama (yo hubiera dibujado algo triste como los monigotes de Ana y Alberto, así que mejor que lo haya hecho ella) para no perderse en las procelosas aguas de las partículas subatómicas.

En primer lugar, todas las que hemos descrito eran fermiones, es decir, partículas con espín semientero, lo cual significa que no puede haber dos en el mismo estado cuántico. Los fermiones son los constituyentes de la materia, de modo que todo lo que hemos estudiado hasta ahora son partículas “materiales”.

Empezamos la serie con un leptón, el electrón, que es una partícula fundamental, y su antipartícula, el positrón. Recuerda que los leptones son aquellos fermiones que no experimentan la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, no están presentes en el núcleo de los átomos.

Además del electrón, hemos estudiado otra partícula elemental - el quark (en sus varios “sabores”). Los quarks sí experimentan la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, las partículas hechas de quarks sí pueden estar en los núcleos atómicos. Recuerda que los quarks no pueden estar solos más que unos instantes: se encuentran asociados formando partículas compuestas llamadas hadrones. Pueden estar en grupos de dos (bosones llamados mesones) y de tres (fermiones llamados bariones).

En la serie hemos hablado de dos de estos bariones (grupos de tres quarks): el protón, que tiene carga positiva, y el neutrón, que tiene carga neutra. Estas dos partículas forman el núcleo de los átomos y por lo tanto se denominan nucleones.

Hoy vamos a hablar de otra partícula elemental (no compuesta, que sepamos, de otras partículas más simples): el fotón.

El nombre de “fotón” es unos veinte años posterior a la predicción teórica de la existencia de esta partícula, propuesta por Albert Einstein en 1905.

A finales del siglo XIX, las Ecuaciones de Maxwell explicaban de una manera extraordinariamente elegante y coherente todos los fenómenos eléctricos, magnéticos y de radiación electromagnética… casi perfectamente.

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la luz (por cierto, a lo largo de este artículo voy a emplear “luz” en vez de “radiación electromagnética” aunque no sea sólo luz visible; es más corto) era una onda. Esto concordaba con diversos experimentos anteriores, como la existencia de interferencia y difracción demostrada por Young y otros. La energía que llevaba, por ejemplo, un rayo luminoso, era dependiente de su intensidad. Es decir, si yo tengo una linterna con una bombilla poco potente y otra con una bombilla más potente, la energía de la segunda es mayor que la de la primera y eso es lo único que determina los procesos involucrados con la luz.

Sin embargo, había cosas que no encajaban. Esas cosas llevarían al desarrollo de la Física Cuántica, pero no vamos a ir por ahí en esta entrada porque no es su propósito. Centrémonos en un experimento concreto: el efecto fotoeléctrico. Se sabía ya en aquel momento que, si se tiene una pieza de cierto metal y se ilumina, a veces la luz arranca electrones del metal (produce electricidad a partir de luz, de ahí el nombre del efecto).

Lo lógico sería que, si tengo un trozo de metal y lo ilumino con una linterna y observo que no pasa nada, pueda hacer que sí que se produzca el efecto añadiendo energía: con una linterna más potente. Sin embargo, esto que parece tan lógico no ocurre. Y el hecho de que no ocurriera, que por potente que fuera la bombilla, si no producía el efecto nunca jamás podría producirlo, era algo que perturbaba a los físicos de la época profundamente.

Los científicos observaban algo que no podían explicar: si se ilumina el metal con una luz (por ejemplo) roja y no se produce el efecto fotoeléctrico, aunque multiplique la potencia de la bombilla por un millón, del metal no sale ni un solo electrón. Pero si, por ejemplo, con una bombilla de luz azul sí que se arrancan electrones, por muy poco potente que sea la bombilla siguen saliendo electrones: cuanto menos potente es la bombilla, menos electrones salen, pero salen.

Einstein dio una explicación muy elegante y sencilla, ampliando la idea de Planck de la cuantización de la energía: la luz, según Einstein, estaba formada por partículas puntuales llamadas “cuantos de luz”. Estas partículas tenían una determinada energía que dependía únicamente de la frecuencia de la luz (cuanto mayor frecuencia, mayor energía de cada cuanto), de modo que los cuantos de luz azul tenían más energía que los de luz roja. Cuando una bombilla es muy potente, es porque emite muchos cuantos luminosos, pero la energía de cada uno sigue siendo la que corresponde al color - de ahí que el efecto fotoeléctrico no dependa de la potencia de la bombilla sino del color de la luz.

De modo que si una bombilla de luz roja no produce efecto fotoeléctrico es porque cada cuanto luminoso no tiene suficiente energía: por mucha potencia que tenga (por muchos cuantos que transporte), como cada uno choca con un electrón y no tiene suficiente energía, no pasa nada. Sin embargo, si la linterna es de luz azul y sí produce el efecto, aunque tenga poca potencia, los pocos cuantos luminosos que hay arrancan, cada uno, un electrón. Visto así, todo encaja.

Esta explicación de los “cuantos de luz”, escrita por cierto el mismo año que su artículo sobre el Movimiento Browniano, y también su Teoría de la Relatividad Especial (¡menudo año!), valió a Einstein el Premio Nóbel de Física en 1921, e impulsó el desarrollo de la física cuántica que tanto disgustaría al genial físico. En 1926 se adoptó para la partícula el nombre de “fotón”, propuesto por Gilbert N. Lewis y que viene del griego “luz”, combinado con la terminación -on que se había usado para el electrón: de modo que un fotón es una “partícula de luz“.

Esto no quiere decir que todo estuviera claro - considerando la luz como compuesta de partículas, y no como una onda, se explicaban muy bien cosas como el efecto fotoeléctrico…¿pero y la difracción? Eso sólo podía ser explicado si la luz es una onda, no partículas. ¿Entonces? La solución estaría más adelante, en la física cuántica y la dualidad onda-corpúsculo de la luz, de la que hablaremos en algún otro momento.

El fotón, dentro del Modelo Estándar de partículas, es un bosón - es decir, tiene espín entero (en el caso del fotón, 1), lo cual quiere decir que no es un constituyente de la materia, sino un intermediario de las interacciones entre partículas. Además, los fotones, al ser bosones, pueden estar en el mismo estado cuántico, lo cual significa que puede haber muchos fotones “haciendo exactamente lo mismo”. De ahí que se pueda tener un láser de fotones, pero no un láser de, por ejemplo, electrones.

Además, el fotón tiene otras características que lo hacen muy interesante: no tiene carga eléctrica, de modo que no siente la fuerza electromagnética. No tiene masa, por lo que durante cierto tiempo se pensó que no sentía la fuerza gravitatoria (la Teoría de la Relatividad General de Einstein cambió eso, y hoy sabemos que sí la siente, de ahí la existencia de los agujeros negros).

Si no tiene ni carga ni masa, realmente, ¿qué hay en un fotón? Dicho rápido y mal: energía y momento de determinadas características. Un fotón lleva energía, que puede transmitir a un átomo, por ejemplo, al chocar con él. Cuando la luz del Sol calienta tu cuerpo, lo que ocurre es que los fotones que llegan hasta ti hacen vibrar tus átomos más rápido, calentándolos.

Además, un fotón tiene momento lineal, es decir, es capaz de empujar cosas - esto se puede comprobar con relativa facilidad (por ejemplo, mediante experimentos del Efecto Compton) y, de hecho, algunos diseños de naves espaciales utilizan “velas” empujadas por un láser. Pero, además de energía y momento, un fotón representa cierto orden - dos fotones de frecuencias (”colores”) diferentes no tienen la misma energía ni el mismo momento, de modo que puedes tener una cantidad de energía (o momento) determinada con pocos fotones de gran frecuencia, o con muchos fotones de poca frecuencia.

Además de ser los componentes de la radiación electromagnética (la luz visible, las ondas de radio, las microondas, los rayos X, los rayos gamma, etc.), los fotones son los responsables de la interacción electromagnética: de acuerdo con la teoría cuántica, siempre que dos partículas interaccionan debido a la fuerza eléctrica o la magnética, intercambian fotones. Por lo tanto, sabemos que si tenemos dos cargas en el espacio y se repelen, no lo hacen instantáneamente. Los fotones responsables de la repulsión tienen que viajar de una carga a la otra a la velocidad de la luz.

Los fotones viajan siempre, en el vacío, a la velocidad de la luz (¡de ahí el nombre de la velocidad!). Si recuerdas los artículos sobre la Relatividad sin fórmulas, esto hace que, si tú fueras un fotón (échale imaginación), el Universo sería muy, muy raro…En primer lugar, el tiempo no pasa para ellos, literalmente. El tiempo subjetivo que experimentarías desde ser emitido por un átomo hasta ser absorbido por otro, aunque estuviera a cien millones de años-luz del primero, sería 0. La distancia que recorrerías entre los dos átomos medida por ti mismo, debido a la contracción de la longitud, sería exactamente…0. Para ti, el Universo sería algo que no podrías experimentar, y para los demás, si te viéramos “desde fuera”, estarías “congelado” durante toda tu existencia: un fotón no puede experimentar ningún cambio desde que se emite hasta que desaparece de nuevo.

Otro efecto interesante de los fotones es que, a pesar de no tener masa, sí modifican la masa de un sistema que los emite o los absorbe: una vez más, de acuerdo con Einstein, la equivalencia entre masa y energía hace que, si emites un fotón, pierdas algo de masa (la energía del fotón emitido proviene de esa pérdida de masa), y al revés. Por supuesto, la pérdida o ganancia de masa es minúscula y, cuando el Sol te calienta, no notas que peses más.

De manera que el fotón, que es el bosón más famoso, es el constituyente de la radiación electromagnética y es el intermediario de la interacción electromagnética. Algunos tienen vidas muy largas (medidas “desde fuera”, claro), por ejemplo, los emitidos por una estrella que viajan durante miles de millones de años por el espacio. Otros, como los que está emitiendo tu cuerpo ahora mismo por el hecho de tener temperatura (fotones infrarrojos) tienen vidas muy cortas: si la pared de la habitación en la que estás está a un par de metros de ti, sólo tardan unos 0,00000001 segundos en desaparecer de nuevo.

Por cierto, en la entrada del neutrón hablamos de lo peligrosos que eran los neutrones libres - los fotones también pueden serlo. Los fotones infrarrojos ya pueden ser muy dañinos si la intensidad es grande, pues pueden quemarte (cuando notas el calor en la cara mirando una chimenea de frente, estás notando fotones infrarrojos), lo mismo que los de microondas. Pero llega un momento en el que un fotón tiene tanta energía que no hace falta una gran intensidad para dañarte: a partir de los fotones ultravioletas, cada fotón tiene tanta energía que puede “descolocar” los ácidos nucleicos de tu ADN, provocando un cáncer. Ése es uno de los peligros de la radiación gamma (que tiene aún más energía que los rayos X, que también pueden provocar cáncer).

Pero, duraderos o efímeros, peligrosos o inocuos, gran parte de los cambios en el Universo se deben a ellos - piensa que todas las reacciones químicas se deben a interacciones eléctricas (es decir, intercambio de fotones). Lo mismo con las fuerzas que hacen que andes, que empujes las teclas del ordenador, que los electrones se muevan por el cable, que puedas respirar (reacción química), que pienses…¡fotones por todas partes! Sin embargo, como un fotón típico de luz visible tiene unos 0,0000000000000000001 Julios, no somos conscientes de que están ahí como partículas individuales.

Si recuerdas, cuando hablamos del neutrón dijimos que un neutrón libre se desintegra al cabo de unos 15 minutos en un protón, un electrón y un antineutrino. Hablemos entonces de la tercera partícula, relativamente famosa pero, al mismo tiempo, misteriosa - en la próxima entrada, el neutrino.
3 Esas maravillosas partículas - Los quarks

En entradas anteriores de Esas maravillosas partículas hemos hablado del electrón, el positrón y el protón. Como recordarás, hablando del último mencionamos que no era una partícula elemental: está compuesto de partículas más sencillas, denominadas quarks. En esta entrada hablaremos de estos misteriosos y escurridizos quarks.

Hacia 1960, varios científicos se estaban ya planteando que ciertas partículas consideradas, hasta entonces, elementales, estaban compuestas de otras más sencillas: Murray Gell-Mann, Kazuhiko Nishijima y Richard Feynman, independientemente, habían descubierto simetrías y observado propiedades de la radiación emitida en la desintegración de hadrones que les sugerían la existencia de una subestructura de éstos.

Murray Gell-Mann denominó a estas supuestas partículas quarks, puede que por aparecer en la novela Finnegans Wake, de James Joyce, en la que tres pájaros lanzan tres gritos (Joyce, al que le encantaban los juegos de palabras, llama a los gritos de los pájaros “quarks” como onomatopeya): Three quarks for Muster Mark! Puesto que en ese momento se conocían tres quarks, y eran cosas “sin sentido”, el nombre acabó calando. Hoy en día conocemos más quarks, pero el nombre se ha mantenido.

Feynman, por su parte, llamó a las supuestas subpartículas partones, por ser “parte de los hadrones”. Finalmente se descubrió que tanto quarks como partones eran lo mismo, y el nombre definitivo fue quarks.

Es interesante notar que, por lo que sabemos, no pueden existir quarks libres. Al menos, no durante mucho tiempo (”mucho tiempo” en física de partículas = muchísimo menos de un segundo). Es decir, siempre están asociados formando otras partículas, como los protones o los mesones, y “pegados” unos a otros mediante otras partículas, de las que hablaremos en otra entrada de la serie, llamadas gluones.

¿Cómo sabemos entonces que existen, si nunca hemos visto uno?. La verdad, seguro, seguro, no lo sabemos. Sin embargo, el modelo de quarks (que describiremos en un momento) no sólo explica muy bien el comportamiento y propiedades de las partículas que se conocían en el momento de proponerlo Gell-Mann y Nijishima - las predicciones del modelo, por ejemplo, de partículas desconocidas en el momento formadas por determinadas combinaciones de quarks, se han ido cumpliendo. De manera que, a pesar de ser partículas inferidas, no observadas directamente, explican lo que conocemos y predicen cosas que no conocíamos, de modo que el modelo está generalmente aceptado.

Además, aunque no hemos visto ninguno directamente, hemos detectado sus “restos”; me explico. Uno de los quarks que describiremos en un momento, el quark “top”, tiene una vida media antes de desintegrarse en otras partículas de unos 10-25 segundos. No sé si te haces una idea de lo minúsculo que es este tiempo: la luz no llegaría a cruzar el núcleo de un átomo en ese tiempo. Pero los científicos han conseguido, haciendo colisionar partículas a grandes energías, producir quarks “top” y luego detectar las partículas en las que éstos se desintegran, de modo que es bastante seguro que el quark estuvo allí.

Los quarks son parte del Modelo Estándar de partículas elementales, aunque hay extensiones del modelo que piensan que…¡están compuestos de partículas más pequeñas! Pero, por ahora, centrémonos en la teoría más ampliamente aceptada, que dice que son partículas fundamentales.

Existen seis quarks diferentes, a los que se han dado nombres arbitrarios: up, down, strange, charm, top y bottom, y por supuesto, sus seis antipartículas (una por cada quark, antiup, antidown…). Tres de ellos (up, charm y top) tienen carga +2/3, y los otros tres (down, strange y bottom) tienen carga -1/3. De este modo, si se tienen, por ejemplo, dos quarks up y uno down, la carga de la partícula resultante será 1, y si se tienen un up, un strange y un bottom, la carga resultante será nula, etc.

Sin embargo, todos los quarks tienen espín 1/2, es decir (si recuerdas la entrada del electrón), son fermiones. Dicho de otra manera, son partículas “individualistas” que no pueden estar en un mismo estado cuántico. Sin embargo, hay partículas compuestas, como el protón, que tienen dos quarks up con la misma carga y el mismo espín…todo es igual, lo cual es imposible.

Los físicos dedujeron de esto que existe otro número cuántico más, es decir, otra propiedad de las partículas, que puede tener tres valores. Llamaron a esta nueva propiedad color, y a los tres posibles valores rojo, verde y azul (porque sí…recuerda la arbitrariedad de la carga, esto es lo mismo). De ese modo, un protón puede tener dos quarks up, pero de diferentes “colores”. Por cierto, esto de los colores (que, desde luego, no tiene nada que ver con los colores de verdad) es lo que da parte de su nombre a la cromodinámica cuántica. El “color” es además el que hace que los gluones tengan a los quarks, dentro de un protón o un neutrón, unidos unos a otros.

Si recuerdas el artículo del electrón, esa partícula era un leptón - no está compuesta por quarks y, por lo tanto, no tiene color. De modo que los electrones no son afectados por los gluones y no sienten la fuerza nuclear que une a protones y neutrones en el núcleo.

De manera que: los quarks son fermiones que siempre se encuentran asociados, no pueden estar solos. Como ya dijimos al hablar del protón, todas las partículas formadas por quarks se denominan hadrones. Existen dos maneras conocidas de combinar quarks, es decir, dos tipos de hadrones: o se tienen dos juntos, o se tienen tres juntos.

Como el espín de los quarks es siempre 1/2 (dirigido hacia “arriba” o hacia “abajo”, o +1/2 y -1/2), entonces puedes entender que cualquier partícula con tres quarks va a ser un fermión, porque sumando y restando 1/2 tres veces puedes tener -3/2, -1/2, 1/2 o 3/2, pero nunca un número entero. Estas partículas formadas por tres quarks, que siempre van a ser fermiones, se denominan bariones. ¿Recuerdas al protón y sus tres quarks?

Por otro lado, cualquier partícula formada por dos quarks va a tener un espín de -1, 0 o 1 (pues sumando o restando 1/2 dos veces, nunca puedes tener una fracción), es decir, va a ser un bosón. Estas partículas formadas por dos quarks, siempre bosones, se denominan mesones. Puesto que los quarks “sienten” todas las fuerzas fundamentales, los hadrones también las sienten, aunque algunos de ellos (como el neutrón) pueden tener una combinación de quarks tal que no se vean afectados, de manera neta, por alguna de ellas.

De modo que los hadrones (es decir, las partículas compuestas por quarks) pueden ser bariones (formadas por tres quarks y por lo tanto fermiones, como los protones y los neutrones) o mesones (formados por dos quarks y por lo tanto bosones). Y podemos “ver” todas estas partículas, pero no los quarks de los que están compuestas, al menos por ahora.

Ya que hemos hablado de los quarks, seguiremos la serie con otra partícula compuesta por ellos (otro hadrón): el neutrón. De vuelta a partículas más “de andar por casa” después de este paréntesis “quarkiano”.
3.A.1.1 Esas maravillosas partículas - Los hiperones


En la serie de Esas maravillosas partículas hemos hablado de algunas muy corrientes, como el electrón, y otras bastante “extrañas” (nunca mejor dicho), como el kaón. Hoy vamos a hablar de más partículas extrañas, aunque no de una sola sino de un grupo: los “bariones extraños”, o hiperones.

La razón de que dediquemos un artículo a un grupo de partículas y no a una en especial es que, por un lado, todos los hiperones tienen ciertas cosas en común de las que preferimos hablar en esta entrada y, por otro, varios de ellos son aún relativamente desconocidos, de modo que no sabemos demasiado sobre ellos. Estamos ya en la zona de Esas maravillosas partículas en la que rozamos la frontera de nuestro conocimiento de las partículas subatómicas.

¿Qué son los hiperones? Recordarás, espero, la anterior entrada acerca del kaón (si no la recuerdas, o no la has leído, deberías hacerlo antes de seguir con este artículo), en la que hablamos acerca de esa misteriosa propiedad, la extrañeza, similar a la carga o la masa, que poseían algunas partículas (las que contenían el quark strange o su antiquark). Bien, los hiperones son bariones que contienen, al menos, un quark extraño (strange o antistrange) pero no tienen quarks charm, top ni bottom (es decir, están compuestos de quarks “normales” y “extraños”).

Como, aunque hemos hablado de estos términos anteriormente en la serie, tanto nombre probablemente te hace pitar los oídos, recordemos brevemente: las partículas formadas por quarks se denominan hadrones, y se ven afectadas por la fuerza nuclear fuerte (de modo que pueden, por ejemplo, formar núcleos atómicos). Hay dos tipos de hadrones, los mesones (formados por dos quarks, que son bosones) y los bariones (formados por tres quarks, que son fermiones). Bien, los hiperones son “bariones extraños”, de modo que están formados por tres quarks, como el protón o el neutrón - pero con una diferencia fundamental.

Tanto el protón como el neutrón estaban formados por quarks up y down, de primera generación y, por lo tanto, relativamente estables. Pero, en el caso de los hiperones, al menos un quark es un quark strange, de modo que los hiperones tienen, además de carga y masa, extrañeza. Y, al ser el quark strange de segunda generación, los hiperones son todos muy inestables: por eso no has visto ninguno.

De hecho, los hiperones tienen todos vidas medias bastante cortas, de entre unos 10-10 y 10-8 segundos (salvo alguna excepción), de modo que no pueden formar parte de la materia normal: se forman cuando colisionan partículas muy energéticas y desaparecen bastante pronto. No tan pronto, generalmente, como cabría esperar: como recordarás de la entrada del kaón, la extrañeza debe conservarse salvo en las interacciones nucleares débiles, de modo que (salvo que el hiperón formado se encuentre con otro de extrañeza opuesta a la suya) pasa bastante más tiempo del que cabría esperar hasta que un hiperón se desintegra. Sí, 10-8 segundos es muy poco tiempo, pero es billones de veces más de lo que sería si no fuera por la extrañeza.

Estas partículas empezaron a descubrirse relativamente tarde, a finales de los años 40, debido a su corta vida media. Podríamos decir que hay tres grupos de hiperones: los que tienen dos quarks “normales” y uno extraño, los que tienen uno normal y dos extraños, y los que son completamente “extraños”.

Con un quark strange y dos quarks normales (up y down) existen tres posibilidades: down-down-strange, up-up-strange y down-up-strange. Estos tres hiperones son los hiperones sigma, y son representados con esa letra griega, Σ. Sin embargo, curiosamente no son los tres iguales: los dos primeros (Σ+ y Σ-) tienen una vida media normal para un hiperón (unos 10-10 segundos), pero el hiperón neutro del trío, el tercero (Σ0) es extraordinariamente inestable: en sólo 10-20 segundos se desintegra en un fotón y otro hiperón compuesto por los mismos tres quarks que él (up-down-strange) pero con menos masa (el exceso de masa se lo lleva, en forma de energía, el fotón liberado). Por eso suele decirse que Σ0 es una forma excitada del hiperón en el que se desintegra, denominado lambda, Λ0.

Desde luego, Λ0 tampoco es estable, y desaparece a su vez en 10-10 segundos, pero es mucho más estable que Σ0. Todos estos hiperones se desintegran, tarde o temprano, en piones, fotones y neutrones - y, como recordarás, los piones tampoco son estables, de modo que la cosa no se para ahí, sino que hay más desintegraciones en poco tiempo.
Los hiperones con dos quarks extraños son, lógicamente, dos: el strange-strange-up y el strange-strange-down. Ambos son denominados con la letra griega xi, y son el Ξ0 y el Ξ- respectivamente. Estos dos hiperones se desintegran en un hiperón Λ0 y un pión, los cuales a su vez se desintegran en otras partículas.

De hecho, hay otras partículas Ξ además de estas dos (aunque no hablemos de ellas aquí, por no tratarse de hiperones), y les ocurre algo parecido: se desintegran en partículas inestables, que se desintegran en partículas inestables, que… ¡es como una cascada de desintegraciones! A toda la familia Ξ se las denomina partículas cascada, debido a esto. Por cierto, la última de ellas (Ξ-b, compuesta por los quarks strange-bottom-down) ha sido observada por primera vez este mismo año en el Fermilab. Es la primera partícula subatómica observada que tiene un quark de cada familia.

Finalmente, la partícula más “extraña” de todas las que conocemos: la que está compuesta exclusivamente por quarks strange: la partícula Ω-, representada con la letra griega omega. Existe otra partícula omega, la Ω0c, pero ésa tiene un quark charmed, de modo que no es un hiperón. La importancia de Ω- es que su descubrimiento supuso el triunfo absoluto de la denominada Óctuple Vía de Murray Gell-Mann.




Estructura de la partícula omega. Crédito: Wikipedia (GPL).

Gell-Mann (quien, como recordarás, es prácticamente el “padre” de los quarks) organizó las partículas formadas por quarks en una serie de octetos y decenas, colocándolas en ellos de acuerdo con determinadas simetrías. Aunque no vamos a extendernos aquí acerca de la Óctuple Vía, sí es muy interesante el hecho de que, de acuerdo con sus reglas y los conjuntos de partículas que predice, es posible determinar las características de una partícula a partir del resto en su grupo. Por ejemplo, cuando Gell-Mann propuso su teoría, un grupo de partículas que deberían ser diez estaba incompleto: sólo había nueve.

En 1962, Gell-Mann utilizó las simetrías del modelo para predecir cómo debería ser esa partícula: su masa, su carga, su extrañeza… Dos años más tarde, en 1964, se descubrió Ω- y se midieron sus características. Gell-Mann había clavado absolutamente todas con su modelo. De modo que Ω- supuso el triunfo del modelo quark y la Vía Óctuple. ¿Puedes imaginar cómo se sentiría el físico cuando le dijeron que había acertado de pleno? Por cierto, en 1969 recibiría el Premio Nobel por su trabajo en este campo.

Curiosamente, aunque todos los hiperones, como hemos dicho, son inestables, su vida media es suficientemente larga como para formar núcleos atómicos durante cierto tiempo (bien, no llega a una millonésima de segundo, pero algo es algo). Estos “núcleos extraños” se denominan hipernúcleos, y fueron observados por primera vez en 1952. Hasta ahora hemos visto hipernúcleos que contienen protones, neutrones y partículas Λ0 y Σ.

Después de dedicar esta entrada a fermiones, es decir, componentes de la materia (aunque, como hemos visto, no durante mucho tiempo), dedicaremos el próximo artículo de la serie a un bosón, y el responsable de una de las interacciones fundamentales del Universo: el gluón.
3. A.1.2 Esas maravillosas partículas - El protón


En la tercera entrega de esta serie (después de hablar del electrón y el positrón) vamos a centrarnos en otra partícula “normalita”: el protón.

En primer lugar, el protón no es una partícula elemental. Recuerda cómo, al hablar del electrón, ya dijimos que algunas partículas que suelen llamarse elementales no lo son - el protón es una de ellas. Unos párrafos más abajo veremos qué hay “dentro”.

A pesar de que hoy sabemos que el protón no es una partícula fundamental, puede clasificarse igual que hicimos con el electrón, dependiendo de sus características. Una vez más, vamos con nombres exóticos:

Al igual que el electrón, el protón es un fermión, es decir, no puede haber dos protones en el mismo estado cuántico. En otras entradas hablaremos de los bosones, que se comportan de manera muy diferente y son los responsables de las interacciones entre las partículas materiales. Los fermiones son los que componen la materia que conocemos, de ahí que tanto el electrón como el protón sean fermiones.

Además, el protón es un hadrón. Esto quiere decir que se ve afectado por la fuerza nuclear, que es la que mantiene unidos a los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos. Si no fuera por ella, estas partículas nunca estarían juntas (los protones se repelerían por tener carga del mismo signo) y no existirían los átomos. Otros hadrones son los neutrones y los mesones.

Dentro de los hadrones, el protón es un barión, es decir, está formado por tres quarks, como el neutrón…y aquí es donde llegamos a la verdadera naturaleza no elemental del protón.

Aunque dedicaremos una entrada (probablemente la siguiente) a los quarks, baste decir por ahora que un protón se compone de tres quarks (como el neutrón), que le confieren sus propiedades. Los que componen el protón son dos quarks arriba y un quark abajo…sí, suena raro pero ésos son los nombres: recuerda cuando dijimos que la carga “positiva” y “negativa” era arbitraria. Como quarks hay bastantes, hacen falta más de dos nombres y los físicos se han inventado éstos tan imaginativos.

De modo que, si pudieras ver un protón “por dentro”, verías tres quarks unidos unos a otros por la fuerza nuclear fuerte. Si sumas la masa de los tres quarks obtienes, por supuesto, la masa observada del protón, y si sumas sus cargas eléctricas (2/3 de la carga del electrón para los quarks “arriba” y -1/3 para el quark “abajo”) obtienes 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1, es decir, la carga eléctrica del protón (que es opuesta a la del electrón).

Curiosamente, la Teoría de Gran Unificación (que es un modelo teórico que unifica las fuerzas electromagnética y nuclear) predice que el protón no es una partícula estable…debería desintegrarse al cabo del tiempo (el electrón, por ejemplo, es estable de acuerdo con la misma teoría).

Sin embargo, nadie ha visto hasta ahora la desintegración de un protón en otras partículas. De hecho, los experimentos realizados hasta el momento han demostrado que, si el protón al final resulta ser inestable, su vida media debe ser al menos de 1035 años…¡cuatrillones de veces más que la edad del Universo!

De modo que puede que los protones se desintegren, pero que aún no haya dado tiempo a que muchos lo hayan hecho, de modo que no hemos visto a ninguno desintegrarse en otras partículas porque el Universo sea demasiado joven aún…¿no es fascinante?

También puede ser que los protones sean estables y la Teoría de Gran Unificación esté equivocada. De hecho, la otra predicción observable “fácilmente” de la Teoría (los monopolos magnéticos) tampoco ha sido comprobada hasta ahora.

En cualquier caso, recuerda que un protón es una partícula compuesta por tres quarks, es un fermión, un hadrón y dentro de éstos un barión. El protón “siente” todas las fuerzas fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Y, por supuesto, la existencia de los protones es la que hace que existan átomos y nosotros estemos aquí.

La antipartícula del protón es el antiprotón…no hay nombres exóticos en este caso. Y, por si te lo estás preguntando, sí: si coges un antiprotón y lo filmas en una película, le cambias la carga, pones el Universo del revés y luego la película hacia atrás, es indistinguible de un protón. La física fundamental es escalofriante y fascinante al mismo tiempo, al menos para mí. Los antiprotones fueron observados por primera vez en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (quienes, por cierto, recibieron el Premio Nobel en 1959 por ello).

Ya que hemos mencionado los quarks, en la próxima entrega nos dedicaremos a ellos antes de seguir con otra partícula “normal”.
3. A.1.3 Esas maravillosas partículas - El neutrón

En entradas anteriores de Esas maravillosas partículas hemos hablado del electrón, el positrón, el protón y los quarks. Hoy seguimos con una partícula más humilde, pero muy interesante (como espero demostrar en breve): el neutrón.

El neutrón es, “por dentro”, muy parecido a un protón. Si recuerdas la entrada sobre el protón, esta partícula estaba formada por dos quarks up y uno down. Al estar formada por quarks, era un hadrón, y por tener tres quarks era un barión y, por lo tanto, un fermión. Bien, un neutrón es prácticamente igual: también está formado por tres quarks, pero en vez de up/up/down tiene up/down/down.





Esta aparentemente minúscula diferencia hace que las dos partículas “hermanas” se comporten de formas muy distintas: recuerda que la carga del
protón era +2/3 +2/3 -1/3 = +1. Pero como el neutrón tiene up/down/down su carga es +2/3 -1/3 -1/3 = 0. No tiene carga - no porque no haya nada con carga en él, sino porque las cargas que hay en su interior se anulan.

Esta neutralidad de carga es lo que hizo que el neutrón tardase unos años más en ser identificado que el protón (que fue descubierto en 1918 por Rutherford). Fue James Chadwick (físico inglés), en 1932, quien identificó las partículas desconocidas pero ya observadas por otros como Walther Bothe, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot. De acuerdo con Chadwick, eran algo así como protones de carga neutra (lo cual, por otro lado, no es una mala descripción), de modo que se denominaron neutrones.

Los neutrones sufren las cuatro fuerzas fundamentales del Universo, como los protones: a pesar de no tener carga neta, tienen un momento magnético lo mismo que el protón, de modo que sufren la fuerza electromagnética, la nuclear fuerte, la débil y la gravitatoria. Sin embargo, la fuerza más importante para los neutrones es la fuerza nuclear fuerte, la que mantiene a los quarks unidos en su interior y une a los neutrones con otros neutrones y con los protones en el núcleo de los átomos: puesto que los protones y neutrones son los que forman los núcleos, a las dos partículas “hermanas” se las denomina nucleones.

Sin embargo, como ya dijimos hablando del protón, él es el realmente importante en el núcleo. El neutrón, al no tener carga, no convierte a un elemento en otro: añadir un neutrón al hidrógeno no lo convierte en otra cosa, sigue siendo hidrógeno, aunque tenga propiedades un poco diferentes (por ejemplo, es más pesado). Los átomos de un elemento con diferente número de neutrones se denominan isótopos. Algunos isótopos no son estables, como el Carbono-14, de modo que se usan para medir fechas.

Pero existe otra diferencia entre el protón y el neutrón: dependiendo de qué combinación de quarks forma un hadrón, éste puede ser más o menos estable. Por ejemplo, ya dijimos que un protón libre podría no ser estable, pero de ser inestable su vida media probablemente es mucho mayor que la edad actual del Universo.

Sin embargo, debido a la combinación de quarks que forman el neutrón, un neutrón libre (no asociado al núcleo de un átomo) tiene una vida mucho más corta: unos 15 minutos. Ésa es la razón de que puedas encontrar muchos protones libres en el Universo (núcleos de hidrógeno sin el electrón), pero es muy difícil ver neutrones libres más de unos minutos. Cuando un neutrón se desintegra, lo hace en un protón, un electrón y un antineutrino (del que hablaremos en alguna otra entrada).

Debido a que un neutrón libre sólo permanece como tal durante un cuarto de hora, es difícil disponer de ellos (a diferencia de otras partículas): hay que generarlos según se necesitan. La mayor parte de ellos se obtienen de reacciones nucleares espontáneas de elementos radiactivos, que sufren la fisión de forma natural (como el polonio o el radio), emitiendo neutrones en el proceso.

¡Y los neutrones libres son muy peligrosos! De hecho, es uno de los productos de la desintegración radiactiva más peligrosos que hay. Piensa que otras partículas emitidas en las reacciones nucleares, como los electrones, aunque son peligrosas, son fáciles de parar. Las partículas cargadas, en cuantro entran en contacto con un medio material más o menos denso, empiezan a desviarse (debido a la fuerza eléctrica), a ionizar átomos arrancando electrones que se llevan parte de la energía y se mueven en otra dirección, etc. Es decir, la energía de esas partículas se disipa relativamente rápido.

Por eso, si vas a estar en un lugar en el que puede haber emisión de protones o electrones, un recubrimiento de plomo es una protección muy buena. De hecho, al ser un metal también absorbe muy bien los fotones, de modo que protege contra muchas clases de emisiones radiactivas (alfa, beta y gamma). Pero, ¿y los neutrones?

Al ser neutros, la única manera de que pierdan su energía es que choquen de cabeza con el núcleo de otro átomo. Por lo tanto, la protección contra neutrones requiere un espesor relativamente grande: y además, la masa atómica del núcleo de los átomos no influye mucho en su capacidad para pararlos, pues los núcleos son tan minúsculos comparados con el espacio entre ellos que un aumento de tamaño (por ejemplo, plomo en vez de hidrógeno) apenas influye. La mayor parte de los escudos contra neutrones son paredes espesas de cemento o parafina.

Por supuesto, la mayor parte de los neutrones que puedan llegar a tu cuerpo te atraviesan, pero tú también actúas de “escudo”: y cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de una base nitrogenada de tu ADN…bueno, las consecuencias pueden ser muy desagradables, salvo que la dosis no sea muy intensa y sea breve, y además tengas suerte.

Es decir, que los neutrones son partículas algo anodinas cuando están en el núcleo de un átomo, pero si están libres tienen una vida relativamente corta y que puede ser peligrosa….y todo por tener un quark down en vez de uno up.

Una vez hemos hablado del electrón, el neutrón y el protón, como puedes ver hemos acabado con las partículas que componen la materia corriente. Pero hay muchas otras de enorme interés pero menos comunes - por el hecho de ser inestables o por el de ser indetectables, o por el hecho de no formar materia sino ser las responsables de interacciones. En la próxima entrada hablaremos del primer bosón de la serie, probablemente el más famoso - el fotón.


Figura 1
3.A.2.1 Esas maravillosas partículas - El pión


Continuamos nuestro recorrido por las partículas subatómicas (elementales o no) en la serie Esas maravillosas partículas con una partícula que hemos mencionado brevemente en entregas anteriores de la serie - el pión.

En 1935, Hideki Yukawa predijo la existencia de unas partículas no observadas hasta entonces, de masa intermedia entre la del electrón y la del protón. Al principio, estas partículas se denominaron mesotrones, pero Werner Heisenberg (cuyo padre era catedrático de griego en la Universidad de Munich) apuntó el detalle de que la raíz griega, mesos (medio), no tiene “tr”, al contrario que elektron. De modo que estas partículas teóricas acabaron llamandose mesones.

Como ya dijimos en la entrada acerca del muón, en un principio se pensó que esa partícula era la predicha por Yukawa. Sin embargo, pronto se descubrió que el muón no tenía que ver con los mesones de Yukawa, de modo que su observación aún debería esperar unos años.

La razón de que no fuera fácil ver los mesones de Yukawa es que son partículas inestables, de modo que hace falta verlas justo después de ser producidas o se desintegran en otras partículas subatómicas…y en aquella época no había aceleradores de partículas que pudieran hacer colisionar partículas estables para producir otras inestables, como hacemos ahora: hacía falta estar en el lugar adecuado y en el momento justo cuando se producían de forma natural.
En 1947, las primeras partículas que coincidían con las características predichas por Yukawa (los primeros mesones) fueron descubiertas: los mesones pi, también llamados piones. El descubrimiento fue realizado por Cecil Powell, César Lattes y Giuseppe Occhialini en la Universidad de Bristol, y los piones que vieron eran el resultado del impacto de rayos cósmicos sobre la atmósfera, que produce muchas partículas inestables, entre ellas los piones.

Curiosamente, la ciencia avanzaba en su faceta experimental al mismo tiempo, y sólo un año más tarde el mismo César Lattes, junto con Eugene Gardner, conseguiría producir piones artificialmente, bombardeando carbono con partículas alfa (núcleos de helio).
Para premiar la faceta teórica y la experimental de la ciencia, la Academia concedió el Premio Nobel de Física de 1949 a Hideki Yukawa por predecir los piones, y a Cecil Powell en 1950 por desarrollar las técnicas de fotoemulsión necesarias para poder detectarlos.

Pero ¿qué es un pión? Si has seguido esta serie con interés, aunque puede que no recuerdes todo (puedes revisar los artículos de la categoría), vas a entenderlo perfectamente. Un pión está formado por un quark y un antiquark de primera generación (up, down, antiup y antidown). Como puedes comprender, hay varios piones, dependiendo de qué combinación quark/antiquark se tiene.

Por ejemplo, un quark up y uno antidown producen un pión de carga positiva, denotado como π+. Un quark down y uno antiup componen el pión de carga negativa, π-. Y un quark up y uno antiup, o uno down y uno antidown, producen el pión neutro, o π0.

Estructura de un pión +.(Figura 1)

¿Qué consecuencias tiene todo esto? En primer lugar, al estar compuesto por quarks, un pión no es una partícula elemental. Recuerda que las partículas compuestas por quarks se denominan hadrones, por lo que los piones son todos hadrones.

En segundo lugar, al estar compuestos por dos quarks y no tres, los piones tienen espín entero. Como todos los demás mesones (formados por dos quarks), son bosones, al contrario que los bariones (como los protones y los neutrones), formados por tres quarks y de espín semientero, es decir, fermiones.

Además de todo esto, como hemos dicho antes, los piones no son fáciles de detectar porque duran muy poco tiempo: los piones cargados (+ y -) sólo viven una cienmillonésima de segundo. ¡Pero esto es una eternidad comparado con la vida media de los piones neutros, que sólo existen durante unos 10-17 segundos! Los piones cargados suelen desintegrarse en un muón y un neutrino muónico, mientras que los neutros suelen hacerlo simplemente en dos fotones.

¿Quiere decir esta corta vida que los piones no son importantes? Nada más lejos de la realidad…sin los piones, la materia como la conocemos no existiría. Recuerda que, cuando dividimos las partículas en fermiones y bosones, dijimos que los fermiones son las partículas que constituyen la materia, y los bosones son las partículas responsables de las interacciones (como la electricidad o el magnetismo).

Bien, los piones son los responsables que que existan los núcleos atómicos: los protones y neutrones del núcleo se atraen unos a otros mediante la interacción nuclear fuerte, intercambiando piones virtuales constantemente. Claro, estos piones desaparecen rapidísimo, pero los protones y neutrones siguen intercambiando nuevos piones todo el tiempo. Sin ellos, los núcleos atómicos se desparramarían y no habría elementos químicos - la fracción de segundo que viven los piones es esencial para crear la realidad que percibimos, a pesar de que su tiempo de vida y la distancia que recorren en el núcleo atómico sean tan ínfimas que nunca tenemos una percepción directa de estas elusivas partículas.

Aquí tienes el diagrama de las partículas elementales vistas hasta ahora en la serie, incluyendo el pión:

Sin embargo, los piones no son los únicos mesones que existen - hay bastantes más. La próxima entrada estará dedicada a otro de ellos: el kaón.
3.A.2.2 Esas maravillosas partículas - El kaón

Como parte de la serie Esas maravillosas partículas, en la que desentrañamos algunos de los misterios de las partículas subatómicas (fundamentales o no), y después de hablar de un tipo de mesones, los piones, hoy nos dedicarmos a otro mesón: el kaón.

A pesar de que los kaones no tienen un gran efecto directo sobre lo que observamos, ni duran demasiado tiempo, son de una enorme relevancia para la física de partículas, puesto que introdujeron una nueva propiedad de las partículas (además de la carga, masa, etc.): la extrañeza.

Como recordarás de artículos anteriores de la serie, hasta que se empezaron a construir los aceleradores de partículas, con los que se podían generar partículas inestables más o menos a la carta, los físicos se veían obligados a tratar de detectar las que se producían naturalmente (la mayor parte de ellas originadas por los rayos cósmicos en las capas altas de la atmósfera).

Bien, en 1947, G. D. Rochester y C. C. Butler se encontraban haciendo justo eso: tomando fotografías en una cámara de niebla, tratando de detectar partículas generadas por los rayos cósmicos al impactar sobre las moléculas de la atmósfera. Obtuvieron trazas de diversas partículas conocidas, pero también un par de fotografías del recorrido de partículas que no se conocían: una de ellas era una partícula sin carga que se desintegraba en dos piones cargados (uno positivo y otro negativo), y otra partícula, en este caso cargada, que se desintegraba en un pión cargado y otra partícula desconocida sin carga.

Aunque Rochester y Butler no tenían mucha información sobre estas extrañas partículas, sí podían estimar la masa de la partícula cargada, que parecía ser (aunque era una estimación burda) más o menos la mitad de la masa de un protón. Sin más datos experimentales, los físicos estaban simplemente confundidos.

En 1950 se instaló una cámara de niebla en la cima del Monte Wilson (a mayor altitud, mayor facilidad para que las partículas lleguen al detector). Allí se detectaron decenas de estas nuevas partículas, tanto las cargadas como las neutras, y se pudieron determinar sus características con mayor precisión. Hacia 1953 ya se tenía un nombre para ellas: se decidió llamar mesones-L a los muones y los piones, y mesones-K a estas nuevas partículas más pesadas. De ahí que ahora los llamemos kaones.

A estas alturas los científicos estaban acostumbrados a detectar nuevas partículas con cierta regularidad, como ya hemos visto en otras entradas de la serie: unas más pesadas, otras menos, unas cargadas y otras no. Algunas eran estables (las menos) y muchas inestables. Pero estos mesones-K eran extraordinariamente raros, porque no se desintegraban tan rápido como deberían.

Me explico: una de las maneras en las que se producen kaones es cuando un pión choca con un protón (por ejemplo, en el núcleo de un átomo en la atmósfera). La interacción nuclear fuerte entre el pión y el protón produce, en un tiempo cortísimo (unos 10-23 segundos) un par de kaones, que salen despedidos en diferentes direcciones.

Bien, lo lógico sería pensar entonces que estos kaones, a través de la interacción fuerte, se desintegrasen en otras partículas igual de rápido: según salen despedidos en la atmósfera hay multitud de otros protones con los que chocar, por ejemplo. Sin embargo, los kaones vivían un tiempo increíblemente largo: 10-10 segundos. Antes de que te rías y me digas que 0,0000000001 segundos no es un tiempo muy largo, piensa que las estimaciones teóricas eran de 10-23 segundos: diez billones de veces más pequeñas. Es como si se estimase la vida de un ser humano en 100 años y se encontrase una raza que vive una media de mil billones de años, ¡mucho más que la vida del Universo!

¿Por qué tardaban tanto en desintegrarse estas partículas? Al final lo hacían mediante la interacción débil, bastante más lenta que la fuerte, de ahí que tardasen tanto tiempo, pero ¿por qué la interacción fuerte, que los había creado, no era capaz también de destruirlos?

La respuesta la dieron Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima: existía un número cuántico nuevo y extraño, el cual no poseían las partículas “normales” pero sí los kaones. Cuando se producía un par de kaones mediante la interacción fuerte, uno de ellos tenía esa propiedad “con signo positivo” y el otro “con signo negativo”. Esa propiedad extraña, que se denominó por eso mismo extrañeza (strangeness) se conservaba: ambas partículas tenían extrañezas opuestas, igual que si se formasen un electrón y un positrón se conservaría la carga.

Pero a la hora de desintegrarse, cada una de esas dos partículas estaba sola en un mundo de partículas “no extrañas”. Al alejarse de su punto de origen, los dos kaones estaban lejos uno del otro, de modo que ¿qué pasaba con la extrañeza si esa partícula se desintegrase de nuevo en partículas “normales”? Sólo podría ocurrir si, por absoluta casualidad, chocase con otro kaón de extrañeza opuesta a la suya y, entonces, se aniquilasen y diesen como resultado partículas normales.

Sin embargo, al contrario que la carga (que se conserva en cualquier interacción), esta extrañeza, haciendo honor a su nombre, se conservaba en cualquier interacción excepto en la débil. De ahí que los kaones sí se desintegrasen al final, cuando la interacción débil (más lenta que la fuerte) hubiera tenido tiempo de actuar, ya que al desintegrarse mediante la fuerza débil la extrañeza podía no conservarse (podía tenerse un kaón de extrañeza +1 que se desintegrase en partículas normales y la extrañeza “desapareciese”).

Desde luego, los científicos se preguntaban qué proporcionaba a esta partícula esa extrañeza y si habría otras (las hay, aunque son aún más infrecuentes que los kaones): en 1964, el modelo quark (desarrollado fundamentalmente por el propio Gell-Mann) incluiría un quark que precisamente confiere esta propiedad, el quark strange (extraño), y que poseen los kaones.

En efecto, un kaón es un mesón (recuerda, un mesón es una partícula formada por dos quarks y, por lo tanto, un bosón) caracterizado por tener un quark strange. Hoy sabemos que hay cuatro tipos de kaones (uno positivo, uno negativo y dos neutros), y todos ellos tienen un quark strange y otro tipo de quark “normal” (up, down…). Todos ellos tienen masas probablemente idénticas, más o menos la mitad que la de un protón.

Y, como hemos dicho al principio, es muy improbable que interacciones con alguno durante tu vida (lo mismo que con otras partículas extrañas de futuras entradas de la serie). Pero eso no hace menos importante el hecho de que los kaones fueron los instigadores de una nueva propiedad de las partículas, un nuevo número cuántico, un nuevo quark y una más amplia comprensión del Universo en su conjunto: puede que tú y yo no toquemos materia “extraña”, pero se piensa que puede haber grandes cantidades de partículas extrañas en el interior de las estrellas de neutrones, o incluso que puede haber “estrellas extrañas” compuestas únicamente de este tipo de partículas.

Pero, como hemos dicho, los kaones no son las únicas partículas extrañas: hay otras, y algunas son los primos “extraños” de los protones y los neutrones. Estas partículas (hay más de un tipo) se denominan hiperones, y a ellas estará dedicada la próxima entrada de la serie, los hiperones.

Nota: No hay diagrama de partículas actualizado para este artículo - no hemos tenido tiempo de prepararlo. Probablemente tenga que esperar a la entrada sobre los hiperones.


Figura 1
4 Esas maravillosas partículas - El bosón de Higgs

Hoy terminamos con la última partícula interesante del Modelo Estándar que nos queda por ver en la serie Esas maravillosas partículas (esto no quiere decir que la serie acabe, por cierto). Ya dijimos en el artículo anterior de la serie, el del gluón, que habíamos acabado de recorrer todas las partículas que hemos observado — la que nos queda por ver hoy es parte del Modelo Estándar, pero nunca ha sido detectada. Hablaremos de la que a veces se llama Partícula de Dios, el bosón de Higgs.

Antes de empezar, un par de avisos pertinentes. En primer lugar, como digo de manera algo repetitiva, si eres físico como yo puedes sufrir intensos deseos de golpear la pantalla de tu ordenador según lees este artículo, debido a las atroces simplificaciones que voy a hacer. Si sucumbes a la tentación y destruyes tu ordenador, El Tamiz no se hace responsable — si quieres leer textos más técnicos, hay muchísimos por la red.

(Imágen 1)
El Universo según Higgs. No, en serio. Sigue leyendo.

En segundo lugar, querido lector, te pido que tengas paciencia: voy a empezar con algo que no parece tener que ver directamente con esta misteriosa partícula fundamental, pero te aseguro que llegaremos a ella a su debido tiempo, y de manera que entiendas por qué los físicos piensan que puede existir, y por qué algunos rezan secretamente por que exista (y otros por que no exista). La cuestión es que éste es un asunto complejo, y no puedo ir deprisa ni escribir un artículo breve. Por cierto, si no has leído los anteriores artículos de la serie puede que te cueste algo más entender algunos conceptos: tal vez deberías empezar por el principio.

¿Preparado? Vamos allá.

A lo largo de esta serie de artículos hemos descubierto juntos multitud de partículas subatómicas, desde las más cotidianas, como el electrón, hasta las más extrañas como los hiperones. Desde el momento en el que los físicos empezaron a darse cuenta de la gran cantidad de partículas que había, trataron de explicar por qué existen ésas y no otras, a qué se deben las características que tienen, qué simetrías existen (como el hecho de que el electrón tenga carga negativa y el positrón positiva), etc.

Entre 1970 y 1973 se desarrolló lo que denominamos Modelo Estándar de física de partículas. Muchos físicos participaron en el desarrollo, basándose además en numerosas teorías anteriores. El Modelo Estándar es una teoría cuántica de campos, que combina la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad. Es una teoría compleja, pero que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y las interacciones entre ellas: analizando las ecuaciones puede concluirse qué partículas existen y cuáles no, y cómo son las que existen.

Todas las partículas que hemos descrito en esta serie hasta hoy son consecuencias inevitables de esta teoría, de ahí que se diga que son partículas “del Modelo Estándar”, y que estemos tan satisfechos con el modelo. Fíjate además en que hemos hablado del fotón, los bosones W y Z y los gluones, de modo que el Modelo Estándar predice la existencia y propiedades de las interacciones fundamentales correspondientes - la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Es decir, es un modelo muy completo y que describe muy bien el Universo que vemos.

Desde luego, sabemos perfectamente que el Modelo Estándar no es la “teoría final”. Para empezar, en esta serie no hemos hablado una sola vez acerca de la gravedad, ya que el Modelo Estándar no la incluye. Además, aunque no está claro dónde están los límites, parece probable que para energías muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo Estándar no es válido. Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y el Modelo Estándar es, conscientemente, una teoría parcial.

Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema teórico bastante irritante. La forma más sencilla del Modelo Estándar que podía proponerse, la que tenía el menor número de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemática, era de una gran belleza y coherencia, salvo por un pequeño problema: según la forma sencilla del modelo, todas las partículas deberían tener masa nula y moverse, siempre, a la velocidad de la luz.

Por supuesto, nadie supuso que la “forma simple” del Modelo fuera la correcta. Es evidente que hay muchas partículas que sí tienen masa, y que nunca se mueven a la velocidad de la luz. De hecho, sólo algunas no tienen masa, y son justo ésas las que sí se mueven siempre a la velocidad de la luz. La pregunta inmediata que se hicieron los científicos, naturalmente, fue ¿por qué? Si la versión simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo más: una extensión al modelo, algún tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de la masa.

La respuesta a este problema fue dada por varios físicos casi al mismo tiempo, en varios equipos y de manera independiente, en 1964. Entre ellos se encuentran Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Tom Kibble y Peter Higgs. Sin embargo, en 1971 Gerardus ‘t Hooft denominó al proceso por el que se deduce la existencia de la masa mecanismo de Higgs, y así seguimos llamándolo. No olvidemos, por otro lado, que hubo muchos otros físicos involucrados en el proceso y no es justo olvidarlos, aunque Higgs fuera un paso más allá que los demás (en breve veremos cómo) y por eso su nombre sea el que ha perdurado.

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Peter Higgs.

La idea de Higgs y los otros físicos que resolvieron el problema de forma similar fue la siguiente (planteada, por supuesto, sin utilizar fórmulas y de forma simple): supongamos que existe un campo nuevo, como el eléctrico o el magnético pero de una naturaleza diferente, que llena el Universo completo. Da igual que haya cargas, masas o que no las haya — el vacío absoluto no sería realmente vacío, pues este campo hipotético (que llamamos hoy campo de Higgs) estaría en todas partes.

Explicar la naturaleza de este nuevo campo no es fácil. De hecho en 1993 William Waldegrave, Ministro de Ciencia del Reino Unido, lanzó un desafío a los físicos británicos para que tratasen de explicar, en una sola página de texto, qué es el bosón de Higgs y por qué queremos encontrarlo: los cinco ganadores recibirían una botella de champaña (al final del artículo dejaré un enlace a las cinco explicaciones ganadoras).

De modo que voy a realizar una analogía que te ayude a entender de forma relativamente intuitiva cómo es este campo de Higgs: una especie de “traducción” de las ecuaciones que lo definen a una imagen mental, basada en varias de las explicaciones ganadoras del desafío. Eso sí, el concepto es muy abstracto, de modo que te pido que lo pienses despacio y teniendo en cuenta que es una analogía.

El espacio del Universo, según las ecuaciones establecidas por Higgs, es algo así como un campo de hierba alta. Esta “hierba alta” existe en todos y cada uno de sus puntos, y es la “representación mental” del campo de Higgs. Todas las hojas de hierba están dirigidas en la misma dirección, sólo que esta “dirección” no es realmente una dirección en el espacio, sino una dirección conceptual. Digamos, para seguir con nuestra analogía, que la dirección en la que crece esta hierba es “hacia arriba”.

De acuerdo con la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda. La cuestión es que cada una de las ondas asociadas a las partículas oscilan en una dirección determinada. Una vez más, esta “dirección” no es una dirección física en el espacio tridimensional que vemos, es una “dirección” en ese espacio conceptual que hemos definido antes. Distintos tipos de partículas tienen ondas que oscilan en diferentes direcciones en este espacio imaginario.

Y aquí llega la clave de la cuestión — si la entiendes, comprendes la enorme importancia de este campo de Higgs (si existe, claro): Las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que las “hojas de hierba” pasan a través de la hierba sin notarla en absoluto. Esas partículas se mueven a la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz. De acuerdo con la teoría de Higgs, nosotros llamamos a esas partículas “partículas sin masa”. Dicho en términos algo más técnicos, esas partículas no interaccionan con el campo de Higgs, de modo que no lo notan. Es decir, el fotón (por ejemplo) oscila “hacia arriba”, la dirección de la hierba, de modo que se mueve a la velocidad de la luz y no tiene masa.

Otras partículas tienen ondas que oscilan casi en la dirección de la hierba, pero cuando se mueven tienen que apartar algunas de las hojas de hierba (aunque no muchas) al estar ligeramente inclinadas. Al hacerlo, reducen su velocidad: les cuesta más moverse a través del “campo de hierba” que a las partículas anteriores, aunque no mucho más. Estas partículas son las que, en nuestro lenguaje, “tienen poca masa”. Observa cómo, en términos del campo de Higgs, estas partículas tienen masa como consecuencia de interaccionar con el campo de Higgs. Como consecuencia adicional, no pueden moverse a la velocidad de la luz: la hierba se lo impide.

Finalmente, una partícula con mucha masa tiene una onda que oscila en una dirección casi perpendicular a la de las hojas de hierba: al moverse por el espacio, debe apartar casi todas las hojas de la hierba, de modo que (vista “desde fuera”) es una partícula con mucha masa. Lo crucial del asunto es que la “masa” de todas las partículas conocidas es el nombre que damos a la intensidad de su interacción con el campo de Higgs. El propio concepto de “masa” es una forma de referirnos a algo más profundo y fundamental: la interacción mayor o menor de cada partícula con el campo de Higgs.

Cuando Peter Higgs envió su teoría a la Physical Review Letters, parece ser que fue rechazada por no cumplir uno de los requisitos básicos de cualquier nueva teoría: realizar una predicción nueva, verificable mediante la experimentación, que permitiera corroborar o rechazar su teoría. Decir que existe un campo misterioso del que se deduce la masa de forma natural está muy bien, pero es simplemente otra manera de llamar a la masa. ¿Cómo saber si este campo existe realmente o no?

Aquí es donde hace su aparición, por fin, la misteriosa partícula de hoy: puesto que la mecánica cuántica asocia a cada campo (y las ondas que se propagan en él) una partícula, debería haber una partícula asociada al campo de Higgs. Dicho de otra manera: cuando una onda recorre el “campo de hierba” de Higgs haciendo oscilar las hojas de hierba, debe haber una partícula asociada a esa onda, de igual manera que cualquier onda tiene asociada una partícula. Esa partícula asociada al campo de Higgs, que representa la ondulación de las hojas de hierba de igual manera que el fotón representa la ondulación del campo electromagnético, es el bosón de Higgs, propuesto por el físico para cumplir el requisito pedido por Physical Review Letters. Una vez propuesta la nueva partícula, la teoría de Higgs sí era comprobable experimentalmente y fue publicada.

Naturalmente, no basta con afirmar que “existe una partícula asociada al campo”: hace falta dar ciertas características de esa partícula, para poder saber si la observamos o no. Las ecuaciones de Higgs predicen ciertas propiedades de la partícula asociada a su campo, aunque no todas. Por ejemplo, su espín debe ser nulo, con lo que es un bosón (de ahí que se llame bosón de Higgs). Debe tener masa, aunque las ecuaciones no predicen cuánta. No puede tener carga y es su propia antipartícula.

Desde entonces, naturalmente, comprobar que el bosón de Higgs realmente existe ha sido una obsesión de los físicos de partículas: si se ve alguna vez, la teoría de Higgs quedará demostrada (y el Modelo Estándar, que se basa en ella, muy reforzado). Aunque aún no se ha logrado ninguna observación, sí se han realizado experimentos indirectos que nos permiten saber, al menos, en qué intervalo está su masa con cierta precisión. Los físicos están bastante seguros de que su masa debería estar entre la de un átomo de hierro y el triple de la de un átomo de uranio — es decir, es una partícula muy pesada.

Por si te lo estás preguntando, sí, el bosón de Higgs debe tener masa de acuerdo con las ecuaciones del modelo. Lo cual quiere decir que la partícula que proporciona la masa se la proporciona a sí misma: es decir, la dirección de oscilación de la onda asociada a un bosón de Higgs no es paralela a las “hojas de hierba”, contrariamente a lo que podría parecer lógico. Las cosas son así… o, al menos, parecen serlo.

La mayor esperanza de los defensores del Modelo Estándar y el bosón de Higgs se encuentra en el potentísimo LHC, el acelerador de partículas del CERN del que ya hemos hablado en varias ocasiones. El LHC puede acelerar partículas a velocidades tan gigantescas que puedan producir bosones de Higgs, por ejemplo, al chocar un quark top con uno antitop, ambos producidos por la desintegración de gluones:

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Diagrama de Feynman de la posible producción de un bosón de Higgs. Crédito: JabberWok/Wikipedia (GPL).

Parte del problema es que, de acuerdo con las predicciones, el bosón de Higgs es una partícula de gran masa, de modo que hace falta una enorme cantidad de energía para producirlos (de ahí que el futuro LHC pueda conseguirlo). El segundo problema es que no es posible detectarlos directamente: entre otras cosas, se estima que tienen una vida media de unos 0,0000000000000000000001 segundos; pero sí es posible detectar las partículas en las que se desintegran.

Los físicos quieren, pues, calcular cuántas posibles combinaciones de partículas pueden producirse por la desintegración de un bosón de Higgs, y con qué probabilidad se produce cada una de esas combinaciones. Si se detectan esas combinaciones de partículas en el LHC y con una frecuencia similar a las probabilidades predichas, será muy probable que se haya “observado” un bosón de Higgs. Los sensores del LHC registrarán datos a un ritmo de unas 10.000 copias de la Enciclopedia Británica por segundo durante los experimentos, que los científicos analizarán para tratar de descubrir el bosón de Higgs escondido en ellos, si es que está ahí.

Así que puede que la noticia de la detección de esta partícula tan fascinante no sea inmediata, sino que es posible que se anuncien observaciones compatibles con ella, que los científicos vayan calculando probabilidades y combinaciones y, poco a poco, la comunidad científica se vaya convenciendo de que se ha “visto” un bosón de Higgs. También es enteramente posible que no se vea absolutamente nada, que los patrones de partículas producidas en el LHC sean completamente incompatibles con la teoría de Higgs y que haya que buscar otras alternativas (hay físicos que no creen que el campo de Higgs exista). Muy probablemente lo sepamos, en uno u otro sentido, en unos cuantos años.


Diagrama de Feynman de la desintegración beta, con la participación del bosón W.
5 y 6 Esas maravillosas partículas - Los bosones W y Z

Antes de nada, acabo de crear la categoría para esta serie (algo que debería haber hecho hace bastante tiempo), para que podáis tener una manera inmediata de ver todas las entradas juntas: Esas maravillosas partículas. De este modo no tengo que enlazar todos los artículos anteriores.

Recordarás que, en la entrada del fotón, mencionamos que estas partículas son las intermediarias de la fuerza electromagnética. Dicho de otra manera, cuando dos partículas interaccionan mediante la fuerza electromagnética (por ejemplo, cuando dos electrones se repelen, o cuando un imán atrae a otro) lo hacen intercambiando fotones virtuales. Cuando dediquemos una serie a las cuatro fuerzas fundamentales hablaremos más sobre este asunto.

Bien, aún nos quedan varias partículas de ese tipo por analizar. Hoy vamos a dedicarnos a los responsables de la interacción nuclear débil, la responsable de las desintegraciones radiactivas: los bosones W y Z.

Estas partículas fueron predichas antes de ser descubiertas: después de que los físicos consiguieran, con la electrodinámica cuántica, una teoría que explicaba muy bien la interacción electromagnética mediante el intercambio de fotones virtuales, se preguntaron…¿no podría hacerse lo mismo con las otras fuerzas? ¿Puede haber otras partículas, además del fotón, que sean los “intermediarios” de esas fuerzas?

En 1968, un grupo de científicos (Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam) lograron plantear una teoría unificada que explicaba muy bien tanto la interacción electromagnética como la fuerza nuclear débil. Éste fue el primer paso hacia una (aún inexistente hoy en día) “teoría de gran unificación” que explique todas las fuerzas fundamentales; puesto que combina la electromagnética y la débil, suele denominarse teoría electrodébil. Estos tres científicos obtuvieron el Premio Nobel de Física en 1973 por su teoría.

La teoría electrodébil de Weinberg, Salam y Glashow proponía dos nuevas partículas como intermediarias de la fuerza débil. Ambos eran bosones, que los científicos denominaron W y Z por razones, como siempre, algo arbitrarias. El bosón W se llamó así por ser responsable de la interacción débil (W por weak en inglés), y el bosón Z recibió su nombre, medio en serio y medio en broma, por decirse que era la última partícula que necesitaba ser descubierta.

Los tres físicos predijeron con gran precisión las propiedades que estas nuevas partículas debían tener (y de las que hablaremos en un momento). Quince años después de la publicación de su teoría, en 1983, tanto el bosón W como el bosón Z fueron observados por primera vez en el CERN. Los científicos responsables de los experimentos, Carlo Rubbia y Simon van der Meer, recibieron el Premio Nobel en 1984 por este descubrimiento.

Podrías pensar que tiene mucho más mérito predecir las partículas que observarlas, pero ambos grupos recibieron el Nobel porque ambas facetas de la investigación son absolutamente fundamentales para el proceso de la ciencia, y tanto los científicos teóricos (como Einstein o Weinberg) como los experimentales (como Rubbia o van der Meer) se basan en el otro grupo para conseguir avanzar. Sólo unos pocos genios absolutos, como Enrico Fermi, han sobresalido como teóricos y experimentales.

Pero, ¿por qué fue tan difícil descubrir estas partículas? Su descubrimiento se ha producido, relativamente hablando, ayer por la mañana, cuando la desintegración radiactiva se conoce desde hace mucho tiempo. La razón es, naturalmente, que estos bosones son partículas extraordinariamente fugaces: su vida media es de unos 3•10-25 segundos. Como solemos hacer para dar una idea de cómo de pequeño es esto, en primer lugar son 0,0000000000000000000000003 segundos.

Esto quiere decir que, desde que un bosón W o Z se crea hasta que vuelve a desaparecer, la luz podría recorrer una distancia de 10-16 metros…¡no sería capaz ni de atravesar el núcleo de un átomo! Ésta es una de las dos razones, querido lector de El Tamiz, por las que nunca has notado la existencia de estos bosones, incluso aunque hayas estado cerca de algún material fisible.

Parte de la culpa de esta enorme inestabilidad de estas partículas está en su masa. Los bosones W y Z son enormes: casi 100 veces más pesados que un protón. Una vez más, es difícil hacerse una idea de cómo de pesado es esto, pero piensa que un bosón de estos pesa más que un átomo de hierro entero. ¡Una sola partícula! Son “pesos pesados”, pero duran muy poco tiempo.

De ahí que la fuerza nuclear débil casi no se note fuera del núcleo de los átomos: piensa que los fotones, responsables de la electricidad y el magnetismo, son estables y pueden recorrer una distancia indefinida por el espacio, pero estos enormes bosones W y Z viven tan poco tiempo que no pueden llevar la fuerza débil a ningún sitio más que a las proximidades muy próximas de donde son generados.

Existen tres bosones en este grupo, todos ellos con espín 1 (recuerda, el espín entero significa que la partícula es un bosón, semientero que es un fermión). El bosón W+ tiene la carga del protón, el W- es su antipartícula y tiene la carga del electrón, y el bosón Z (a veces escrito Z0) no tiene carga, y no sólo eso: es su propia antipartícula.

Puede que recuerdes la desintegración beta, por la que un neutrón se desintegra y se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico (hablamos de ella en la entrada sobre el neutrón). Bien, a estas alturas estás preparado para bucear más profundamente en esa desintegración. Lo que ocurre “dentro del neutrón” es lo siguiente:

Recordarás que un neutrón está formado por un quark up y dos quarks down, mientras que el protón está formado por dos quarks up y uno down. ¿Ves por dónde van los tiros? Lo que sucede realmente es que uno de los quarks down se convierte en un quark up….pero claro, ahí no se conserva la carga (el quark down tiene carga -1/3 y el up tiene +2/3), de modo que se crea además un bosón W-.

Pero ese bosón se desintegra en muy poco tiempo, creando a su vez un electrón y un antineutrino electrónico, que son los que nosotros vemos “desde fuera” cuando observamos una desintegración radiactiva.

(Ver imagen al comienzo del artículo)

Por otro lado, los bosones Z son los responsables de un efecto muy poco común denominado corriente neutra, que es una consecuencia inevitable de la teoría electrodébil: la corriente neutra hace que, intercambiando bosones Z (que no tienen carga), las partículas se transfieran momento lineal unas a otras, empujándose sin que haya transferencia de fotones como en la interacción electromagnética.

Por cierto, como puedes ver, estas dos partículas tienen masa (de hecho, muy grande) y son bosones. Hay gente que piensa que los fermiones son “partículas con masa” y los bosones “partículas sin masa”, o incluso que todos los bosones se mueven a la velocidad de la luz. Esto es cierto para los fotones (que no tienen masa y van a la velocidad de la luz), pero no para otros bosones. Otro ejemplo es la partícula de la que hablaremos en la próxima entrega de la serie: el pión.
7 Esas maravillosas partículas - El gluón

Continuamos hoy nuestro recorrido por el mundo de las partículas subatómicas con la serie Esas maravillosas partículas. Si has seguido la serie desde el principio (y, si no es así, deberías empezar con el primer artículo sobre el electrón, pues hay conceptos que se han ido introduciendo a lo largo de la serie y damos por sentado ahora), recordarás que los hadrones -las partículas formadas por quarks- sentían la interacción nuclear fuerte, mientras que otras partículas no.

Cuando hablamos del pión, dijimos que estas partículas eran las responsables de la interacción nuclear fuerte residual, que mantiene a los protones y los neutrones unidos en los núcleos de los átomos. Hoy vamos a estudiar la otra partícula responsable de la interacción fuerte, pero no la residual sino “la de verdad”: la que mantiene a los quarks unidos dentro de los hadrones. Esta esquiva pero pegajosa partícula no es otra que el gluón.

Antes de hablar del gluón (por cierto, ni qué decir tiene que voy a realizar simplificaciones atroces, de modo que si eres físico como yo y esto te parece Barrio Sésamo, que te zurzan), vamos a recapitular un poco, pues hemos recorrido muchas partículas, y creo que encontrar un paralelismo
a la situación con la que te vas a enfrentar puede ayudarte a entenderla mejor. De modo que, aunque parezca que lo que voy a decir no tiene nada que ver con los gluones, paciencia.

Recordarás que existen dos tipos de carga eléctrica, que denominamos positiva y negativa. Las partículas que tienen carga eléctrica interactúan mediante la fuerza electromagnética, que se rige, en la física moderna, por la electrodinámica cuántica. En la electrodinámica cuántica, dos partículas con carga interaccionan intercambiando fotones - suele decirse, como ya mencionamos en la entrada sobre el fotón, que esta partícula es la intermediadora de la fuerza electromagnética.

Bien, si recuerdas la entrada acerca de los quarks, esas escurridizas partículas tenían, además de carga eléctrica, otra propiedad diferente que los físicos denominaron color. Moon-Young Han y Yoichiro Nambu, los dos físicos que propusieron la existencia del color (si no recuerdas por qué, relee la entrada de los quarks) iniciaron con ello la cromodinámica cuántica, que es parecida a la electrodinámica cuántica pero estudia el color en vez de la carga.

Hasta aquí, todo correcto: igual que las partículas con carga interaccionan entre ellas, las partículas con color interaccionan entre ellas. La primera complicación es el número de posibilidades: el color de un quark puede ser rojo, verde o azul (bueno, puede ser de tres tipos, pero los llamamos así para tratar de recordar y entenderlo mejor), y el de un antiquark puede ser anti-rojo, anti-verde o anti-azul. De modo que hay muchas más interacciones posibles que las de “cargas de igual signo se repelen, cargas de signo contrario se atraen”. Como espero que recuerdes, la fuerza responsable en el caso del color se denomina interacción nuclear fuerte.

Pero la complicación de la cromodinámica cuántica es muchísimo mayor que la que esa diferencia podría dar a pensar. Cuando Han y Nambu desarrollaron el formalismo que explicaría los fenómenos observados hasta el momento en términos del color, empezaron a definir las características teóricas que debería tener el “equivalente cromo dinámico del fotón”, es decir, la partícula mensajera de la interacción nuclear fuerte… y se encontraron con que tenía propiedades similares a las del fotón, pero una muy diferente, y que hace del Universo lo que es.

La partícula mensajera, a la que se denominó gluón (del inglés glue, pegamento), porque mantiene a los quarks pegados dentro de los hadrones), era relativamente similar a su hermano del electromagnetismo, el fotón: era una partícula sin masa, sin carga y de espín 1, es decir, un bosón (esto es evidente porque sólo los bosones pueden ser mensajeros de las interacciones). Pero, y aquí es donde la cosa se vuelve algo surrealista… el gluón tiene color. Y eso, querido lector, es muy, muy raro.

De hecho, hay varios gluones, que tienen diferentes combinaciones de colores y anticolores: combinaciones de los pares rojo/anti-verde, azul/anti-rojo, etc. Como hay tres colores y tres anticolores, hay nueve posibles combinaciones de color-anticolor, por lo que podría pensarse que debería haber nueve posibles gluones, pero sólo hay ocho: la razón es algo complicada (tiene que ver con la simetría de gauge de la cromodinámica cuántica) y, francamente, no sé explicarla de forma suficientemente sencilla como para entrar en ello aquí. Lo importante es que hay varios gluones con distintas combinaciones de colores. Pero eso no es lo raro:

Piensa en el fotón: es el responsable, por ejemplo, de la repulsión entre cargas del mismo signo. Un protón emite un fotón virtual, que “le pega un golpe” al otro protón y lo empuja lejos de él. Pero el fotón no tiene carga, de modo que dos fotones, por ejemplo, no se afectan para nada el uno al otro, y cuando el protón emite el fotón virtual, no interactúa con él, pues el protón tiene carga, pero el fotón no. Perfecto.

¡Pero un gluón tiene color! El gluón es el responsable de intermediar entre las partículas de color, pero él también lo tiene, de modo que tiene que intermediar consigo mismo intercambiando gluones, que deben intermediar consigo mismos intercambiando gluones, que… Es algo así como lo de “El barbero del pueblo afeita a todos los que no se afeitan a sí mismos. ¿Quién afeita al barbero?” El gluón sufre la fuerza de la que es el mensajero.

Las dos consecuencias más importantes de esta propiedad de que el gluón tenga la misma característica que controla son, por un lado, que la cromodinámica cuántica es muchísimo más complicada que la electrodinámica cuántica; y, por otro, que la interacción electromagnética llega muy lejos, pero la nuclear fuerte no, pero allí donde llega es intensísima.

Aunque se trate de una simplificación abyecta, piénsalo así: cuando un protón emite un fotón, el fotón emitido se va y no tiene nada más que ver con el protón. Sin embargo, cuando un quark emite un gluón, el gluón y el quark interaccionan mediante gluones, que interaccionan mediante gluones, que… ¡Se forma una especie de “hilo de pegamento” formado por gluones virtuales! Llega un momento en el que el gluón no puede ir más lejos: por eso el alcance de la fuerza nuclear fuerte es muy pequeño, de sólo unos 10-15 metros. Sin embargo, los fotones pueden ir tan lejos como quieran, de ahí que la fuerza electromagnética tenga alcance infinito.

Pero, por otro lado, si la partícula “de destino” está cerca, pasa lo contrario: el gluón interacciona con ella mediante gluones, que interaccionan mediante gluones, que… Se forma otro “hilo de pegamento”, de modo que, dentro de su alcance, la interacción nuclear fuerte es muy, muy, muy intensa: por eso se llama “fuerte”.

De hecho, la interacción nuclear fuerte es tan fuerte que separar dos quarks unidos por gluones es prácticamente imposible: de ahí que no veas quarks sueltos por ahí. Pero no sólo eso: ¡tampoco verás gluones sueltos, porque también sufren la interacción fuerte! Esos “hilos de pegamento” son, por naturaleza, muy cortos, de modo que los gluones no pueden irse por ahí, lejos de los quarks. Esta propiedad de los quarks y los gluones se denomina confinamiento: ambos están condenados a no estar nunca solos, siempre pegados. Ni qué decir tiene que una explicación formal del confinamiento es mucho más complicada que la historieta que acabo de contar, pero si te ha servido para entender más o menos por qué existe, perfecto.

Según dos quarks se separan, la energía aumenta: hace falta mucha energía para separarlos aunque sea un poquito. De hecho, llega un momento al tratar de separarlos en el que la energía que habría en el campo entre el par de quarks separados sería tan enorme que requiere menos energía que aparezcan quarks nuevos, y en ese momento realmente aparecen, de la nada, pares de quark-antiquark cerca de los quarks que estás separando, utilizando la energía del sistema, de modo que los quarks ya no estén solos. Sé que suena muy raro que aparezcan partículas de ninguna parte, pero recuerda que al separar los quarks -contra la interacción nuclear fuerte- estás dando muchísima energía al sistema, y energía y masa son caras de la misma moneda.

Puedes pensar, entonces, en el núcleo de un átomo como un conjunto de protones y neutrones: éstos están pegados unos a otros porque intercambian continuamente piones, como dijimos en artículos anteriores. Pero dentro de cada protón y neutrón hay quarks, que están “pegados” porque intercambian continuamente gluones. De modo que el núcleo de un átomo es un conjunto de quarks que intercambian partículas virtuales sin parar. Qué mundo más raro.

Pero lo raro no acaba ahí: teóricamente no es posible tener gluones aislados, pero sí grupos de gluones sin quarks. Una “partícula” hecha sólo de gluones no tendría masa, pero sí color, y se denomina glueball (“bola de pegamento” o, a veces, glubola). Aún no se ha observado ninguna, a pesar de que la energía para producirlas no es mayor que la que alcanzan los mayores aceleradores de partículas, y no sabemos bien por qué: tal vez no existan en la realidad, o tal vez se mezclen tan rápido con las otras partículas producidas que no nos haya dado, hasta ahora, tiempo a verlas.

Los gluones pueden ser raros, pero existir, existen: fueron detectados por primera vez en 1979 en el sincrotrón alemán Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), haciendo chocar electrones y positrones de mucha energía: se produjeron distintos hadrones y un chorro de gluones que, por supuesto, se desintegraron en pares de quarks formando más hadrones (dicho en “fino”, se hadronizaron) muy, muy rápidamente, pero ahí estaban durante un instante.

Salvo que se me haya pasado alguna (si es así, decídmelo y amplío esta parte de la serie), hemos hablado sobre todas las partículas interesantes del Modelo Estándar que sabemos que existen, de modo que en la próxima entrada de la serie hablaremos de la única que nos queda del modelo (antes de aventurarnos más allá), la partícula que los defensores del Modelo Estándar juran y perjuran que existe, pero nadie ha visto: el bosón de Higgs.