1.1. Muchas partículas
La mecánica cuántica establece cómo se comportan las partículas elementales y cómo las fuerzas se transmiten por unas partículas portadoras. Es decir, existen dos tipos de partículas: las que forman la materia, llamadas fermiones (por el físico Enrico Fermi), y las que transmiten las fuerzas, llamadas bosones (por el físico Santyendra Nath Bose). Sin embargo, la mecánica cuántica no nos dice nada sobre qué partículas y qué fuerzas son las que existen en la naturaleza, por lo que los físicos se lanzaron a inventariarlas.
Las décadas de los cincuenta y sesenta del siglo xx fueron los años de florecimiento de los grandes aceleradores de partículas. En esta época, los físicos estaban muy desconcertados. Continuamente se descubrían nuevas partículas elementales y nos mostraban una imagen de la naturaleza sumamente complicada.
Los aceleradores de partículas son grandes túneles, normalmente bajo tierra, algunos en línea recta y otros circulares, y a veces con longitudes de varias decenas de kilómetros. En un acelerador de partículas, estas se estimulan mediante campos magnéticos hasta acercarlas a velocidades muy próximas a la de la luz, para finalmente hacerlas chocar entre sí. Los hay de dos tipos, según las partículas que aceleran: los que hacen chocar entre sí electrones con positrones y los que hacen chocar entre sí protones y antiprotones.
Uno de los mayores laboratorios de física de partículas del mundo es el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), consorcio de varios países europeos, con sede en Ginebra, que cumplió su cincuenta aniversario en 2004. En el CERN se ha realizado gran parte de los descubrimientos en física de partículas de los últimos años y, curiosamente, fueron los inventores de la web.
Es necesario recordar que las partículas elementales son los constituyentes básicos de la materia; más precisamente, son partículas que no están constituidas por otras más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna. Originalmente, el término “partícula elemental” se usó para toda partícula subatómica como los protones y neutrones, los electrones y otros tipos de partículas exóticas que solo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en los grandes aceleradores de partículas, como los piones, los muones o los kaones.
Por último, una teoría propuesta por Murray Gell-Mann, por la que recibió el Premio Nobel en 1969, simplificó totalmente el panorama, postulando que existían unas partículas más elementales aún que los protones y neutrones, que formaban a los mismos. Dichas partículas se denominan cuarks y pueden unirse de tres en tres para generar protones y neutrones, o de dos en dos para constituir otros muchos tipos de partículas, como los piones y kaones. En la actualidad, el nombre “partícula elemental” se usa para las partículas, que hasta donde se sabe, no están formadas por partículas más simples.
Las fuerzas gravitatoria y electromagnética eran bien conocidas en la década del treinta, pero para poder explicar cómo los neutrones y los protones están unidos entre sí, fue necesario postular una nueva fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte. Con el descubrimiento de los cuarks fue posible establecer una teoría coherente de la fuerza nuclear fuerte, que tiene una extraña característica, denominada libertad asintótica, que impide que los cuarks puedan ser vistos libremente. El Premio Nobel de Física de 2004 fue otorgado a los tres físicos que descubrieron esta propiedad de la fuerza nuclear fuerte en 1973: David Gross, David Politzer y Frank Wilczek.
Además de estas tres fuerzas, existe una cuarta: la fuerza nuclear débil. Sin embargo, en la actualidad se cuenta con una teoría que establece que las fuerzas electromagnética y nuclear débil son distintos enfoques de una única fuerza, llamada electrodébil. La unificación de estas dos fuerzas está vista por muchos físicos como algo artificiosa, por lo que se siguen identificando como diferentes en muchas clasificaciones.
1.1.1 El modelo estándar
Todos estos descubrimientos llevaron, en los años setenta, a la formulación de una teoría, el modelo estándar de la física de partículas (MEFP; en inglés, Standard Model —SM—), que establece qué partículas y fuerzas existen en la naturaleza y cuáles son sus propiedades.
El MEFP establece que el universo puede describirse usando 6 quarks, 6 leptones y algunas partículas “portadoras de la fuerza”. Las cuatro fuerzas o interacciones conocidas: electromagnetica, gravitatoria, débil y fuerte, están mediadas cada una por una partícula fundamental, a la que se llama partícula intermediaria o portadora. Los fotones se encargan de la interacción electromagnética, los gravitones de la interacción gravitatoria, los gluones de la interacción fuerte, mientras que las partículas W± y Zº son las portadoras de la fuerza débil. La gravedad está incluida en el Modelo Estándar como hipótesis, pues los gravitones no han sido observados experimentalmente. Los valores numéricos del MEFP, como son la masa de las partículas y sus cargas, son datos que se han obtenido experimentalmente. En total, se han tenido que medir unas veinte cantidades para que la descripción del MEFP sea completa.
Uno de los valores que caracterizan a las partículas es su espín. El espín de una partícula es algo así como su momento magnético. Si las partículas fueran pequeñas esferas, el espín de una partícula sería el número de vueltas que hay que darle a la misma para que se quede como estaba. Por supuesto, las partículas no son pequeñas esferas, por lo que nadie puede dar una descripción exacta de lo que en realidad es el espín, como pasa con otros muchos conceptos de la mecánica cuántica.
Lo interesante del espín es que diferencia claramente a las partículas que forman la materia (fermiones) de las que transmiten las fuerzas (bosones). Los fermiones tienen espín “entero + ½” (1/2 o 3/2), y los bosones lo tienen “entero” (0, 1 o 2).
Así pues, en la actualidad, el modelo estándar de la materia ha determinado que las aproximadamente sesenta partículas existentes están compuestas por los fermiones y los bosones.
El que el espín sea entero o no, marca una importante diferencia de comportamiento entre bosones y fermiones. Las ecuaciones de la mecánica cuántica dicen que dos fermiones no pueden estar juntos en el mismo estado, mientras que dos bosones sí. Esto se utiliza en la práctica en el rayo láser, que es un conjunto de fotones acoplados comportándose como si fueran una única partícula.
En realidad, los fermiones son considerados partículas y los bosones son tenidos por interacciones entre partículas; es decir, los bosones hacen que permanezcan unidos los fermiones.
Esta es una de las explicaciones para el inicio del universo, pues en un principio, debido a las altas temperaturas, los fermiones se encontraban sueltos; todo el universo era simplemente gas de leptones y cuarks. Después de la gran explosión, los fermiones fueron unidos por los bosones y se empezaron a formar los átomos, dándole forma a la materia.
El MEFP establece que los fermiones se descomponen en tres familias, y que cada una de ellas consta de un electrón, un neutrino y dos cuarks (véase figura 1.1). A los “electrones” de las otras dos familias se les llama muón y tau (partículas idénticas al electrón, salvo que de mayor masa). Además de estas doce partículas, existen las correspondientes doce antipartículas: positrón, antineutrino y anticuarks en cada una de las tres familias. En realidad, toda la materia que se conoce está formada por partículas de la primera familia; las de las otras dos familias sólo son visibles en situaciones especiales, como en los aceleradores de partículas. A los electrones y neutrinos se les llama genéricamente leptones y a los cuarks se les denomina hadrones. Los protones y neutrones ya no son partículas elementales, pues están compuestos por tres cuarks.
Figura 1.1 Diagrama del modelo estándar de la física de partículas.
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