Física de partículas

La física de partículas estudia los componentes elementales de la materia y la interacción entre ellos. La teoría cuántica de campos es el lenguaje que aplica los principios de la mecánica cuántica (1900, Plank) a la física de partículas. Explica tanto la mecánica cuántica como la relatividad especial (1905, Einstein). Es el caso de la ecuación de Dirac (1928), que describe las partículas elementales.

Su principal aportación es el modelo estándar (1973), la teoría más sofisticada sobre la naturaleza en la historia de la humanidad, probado experimentalmente. Incorpora los descubrimientos desde los años sesenta del siglo XX hasta nuestros días sobre las partículas y sus relaciones. Clasifica las partículas en fermiones (materia ordinaria: leptones y cuarks) y bosones (portadores de las interacciones entre fermiones).

El último eslabón del modelo estándar fue la confirmación de la existencia del bosón de Higgs en 2012, hallado en el LHC (Large Hadron Collider), Gran Colisionador de Hadrones, el mayor colisionador de partículas del mundo, un acelerador circular de 27 kilómetros de largo bajo la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra. Se trata de la máquina más grande construida y se considera el equivalente moderno de las catedrales de la edad media.

Sin embargo, el modelo estándar no es la teoría completa de la física de partículas: porque no explica la materia oscura (aunque podría ser la suma de la de los agujeros negros); porque no ha sido posible combinarlo con la gravedad de la relatividad general (1915, Einstein); y porque no resuelve el enigma de la preeminencia de la materia sobre la antimateria (aunque se sospecha que los neutrinos primordiales son los causantes).

El modelo estándar ignora la gravedad en los objetos microscópicos porque su interacción es despreciable, debido al minúsculo valor de su masa. La relatividad general ignora la longitud de onda de los objetos macroscópicos porque su vibración es despreciable, debido al gran valor de su masa.

Las partículas que conforman la materia pueden ser elementales (que no están formadas por otras) o compuestas. Además, pueden comportarse también como ondas (1927, Thomson y Davison). Se relacionan entre sí mediante las interacciones o fuerzas fundamentales.

Los átomos (1911, Rutherford) se componen de un núcleo con protones y neutrones, alrededor del cual orbitan electrones. El espacio entre el núcleo y los electrones es muy grande, así que los objetos están, sobre todo, compuestos de espacio vacío. Una molécula es una agrupación de átomos; un elemento es una agrupación de átomos del mismo tipo. Una sustancia es una composición material fija, que puede ser simple (formada por un elemento) o compuesta: un compuesto (formado por varios elementos).

Casi todo es materia, pero también existe la antimateria: cada una de las partículas listadas tiene su correspondiente antipartícula, con carga eléctrica contraria. Todas las partículas que tienen el mismo nombre son exactamente iguales e intercambiables.

Partículas

Hay dos tipos de partículas elementales: el fermión y el bosón.

1. Fermión: partícula de materia. Uno de los dos grupos de partículas elementales, con el bosón. Hay dos tipos: leptones y cuarks, que juntos forman la materia ordinaria o bariónica (0,1 y 99,9 % respectivamente).

1.1. Leptón: fermión que no experimenta la interacción nuclear fuerte. Forma la materia no bariónica. Hay seis tipos: por un lado, el electrón, el muon y el tauón; los otros tres son el neutrino asociado a cada uno: electrónico, muónico y tauónico.

1.1.1. Electrón (1897, Thomson): leptón con carga eléctrica negativa (-1) y muy poca masa, que orbita alrededor del núcleo del átomo, conectado con él al emitir fotones. Su antipartícula es el positrón (1932, Anderson).

1.1.2. Neutrino (1956, Cowan y Reines): leptón que no tiene carga, pero sí energía y muy poca masa: un millón de veces menor que la del electrón. Escapa del núcleo de vez en cuando y atraviesa la materia ordinaria sin apenas perturbarla. Es afectado por la interacción nuclear débil. Se ha propuesto que es el causante de que haya más materia que antimateria.

1.1.3. Muon (1936, Anderson): raro leptón con carga eléctrica negativa y 200 veces la masa del electrón.

1.1.3. Tauón (1975, Perl): raro leptón con carga eléctrica negativa y 3.500 veces la masa del electrón.

1.2. Cuark (1974, Richter y Ting): fermión que forma hadrones al experimentar la interacción nuclear fuerte. También interactúa con las otras tres fuerzas fundamentales, siendo la única partícula que lo hace con las cuatro. Hay seis tipos, según su carga eléctrica (y otros parámetros). Los más comunes son arriba (+2/3) y abajo (-1/3), que cambian entre sí mediante la interacción nuclear débil y forman los protones y los neutrones; y los menos comunes son encanto (+2/3), extraño (-1/3), cima (+2/3) y fondo (-1/3).

1.2.1. Hadrón: partícula compuesta por cuarks unidos por la interacción nuclear fuerte.

1.2.1.1. Barión: hadrón formado por tres cuarks. Los más conocidos son los protones y los neutrones, dos estados cuánticos de la misma partícula, llamada nucleón, que cambia mediante la desintegración beta (1934, Joliot-Curie), radiactividad producida por la interacción nuclear débil.

1.2.1.1.1. Protón (1886, Golden): barión con carga eléctrica positiva (+1), que forma el núcleo del átomo con el neutrón. Se compone de dos cuarks arriba y un cuark abajo. Un protón puede transformarse en un neutrón, emitiendo un positrón y un neutrino. La cantidad de protones (número atómico) determina de qué elemento químico es el átomo.

1.2.1.1.2. Neutrón (1932, Chadwick): barión con carga eléctrica neutra (0). Se compone de un cuark arriba y dos cuarks abajo. Un neutrón puede transformarse en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino. En la fisión nuclear se liberan neutrones.

1.2.1.2. Mesón: hadrón formado por un cuark y un anticuark. Uno de ellos es el pion.

1.2.1.2.1 Pion (1947, Powell): mesón que mantiene unidos a los protones y neutrones en el interior del núcleo atómico mediante interacción nuclear fuerte residual, venciendo la repulsión electromagnética de los protones y consiguiendo que los neutrones se unan entre sí y con los protones.

1.2.1.3. Pentacuark (2015, LHC): hadrón formado por cuatro cuarks y un anticuark.

2. Bosón: partícula de fuerza. Uno de los dos grupos de partículas elementales, con el fermión. No tiene masa ni carga eléctrica. Es el portador de las interacciones fundamentales.

2.1 Fotón (1905, Einstein): portador de la interacción electromagnética. Es el responsable de que se formen las moléculas, al relacionar átomos cuando intercambian electrones.

2.2. Gluon (1979, DESY): portador de la interacción nuclear fuerte fundamental, que mantiene unidos los cuarks que forman los nucleones, constituyendo la materia.

2.3. Bosones W y Z (1983, Rubbia y van der Meer): portadores de la interacción nuclear débil.

2.4 Gravitón: portador de la gravedad, que se manifiesta en forma de ondas gravitacionales (2015).

2.5 Bosón de Higgs (2012, LHC): responsable de la existencia de la masa, al dificultar el movimiento de los electrones. Cuando se creó el Universo, todas las partículas elementales carecían de masa y volaban diseminadas. El bosón de Higgs provocó que las partículas adquirieran masa. Se unieron para formar los átomos, y con ellos toda la materia conocida. Sin él, nada tendría masa, todo se movería a la velocidad de la luz y el tiempo estaría permanentemente detenido, lo que no daría lugar a la existencia compleja.

Interacciones o fuerzas fundamentales

1. Electromagnética: atrae a los electrones al núcleo del átomo y a los átomos entre sí para formar las moléculas; su propiedad es la carga eléctrica y su partícula de intercambio es el fotón. La radiación electromagnética transportada por los fotones se divide en microondas, ondas de radio, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Energías libres no transportadas por fotones son los rayos alfa (núcleos de helio sin electrones) y rayos beta, corrientes de electrones (la electricidad).

2. Nuclear fuerte: mantiene unido al núcleo. La fundamental une los quarks y la residual une los protones y neutrones. Su partícula de intercambio es el gluon. La teoría que describe sus procesos de interacción se denomina cromodinámica cuántica.

3. Nuclear débil: responsable de la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas e iniciadora de la fusión nuclear. impulsa a los neutrinos fuera del núcleo. Sus partículas de intercambio son los bosones W y Z.

El modelo electrodébil es una teoría que unifica la interacción nuclear débil y el electromagnetismo. A su vez, la interacción electrodébil se incluye en la Teoría de la Gran Unificación (GUT), que la unifica con la interacción nuclear fuerte de la cromodinámica cuántica y demuestra que las tres fuerzas eran la misma al iniciarse el Universo, manifestándose de modo distinto al bajar la temperatura.

4. Gravedad: distorsiona el espacio-tiempo. Su partícula de intercambio es el gravitón.

La gravedad está estudiada en la relatividad general (donde hay masa o energía el espacio se distorsiona) y no fue considerada en el modelo estándar de la física de partículas, porque resulta una magnitud despreciable en el mundo microscópico. Pero sin la gravedad, no está completo el modelo (teoría del Todo).

Por otro lado, la energía oscura, que actúa al revés que la gravedad y es la responsable de la aceleración en la expansión del Universo, sería la quinta fuerza fundamental.

Notas adicionales

El Universo se generó en un punto y se expandió. Los primeros fotones que escaparon de la sopa primordial (primera agrupación de materia en el Universo) fueron los que transportaban las microondas, 380.000 años después del big bang. Esa radiación de fondo de microondas subsiste y se detectó en 1965. Parte de ella (1%) produce el chisporroteo de los televisores sin sintonizar.

Los agujeros negros entrañan un fenómeno similar a la creación del Universo pero a la inversa. Según Hawking, El Big Bang y el centro de los agujeros negros suponen el mismo fenómeno. Debido a la gravedad extrema de los agujeros negros, la relatividad general los dota de una profundidad infinita, por lo cual no se puede aplicar y tampoco se puede calcular el momento del inicio del Universo inmediatamente anterior al Big Bang. La relatividad general no es la teoría del Todo porque no resuelve el origen del Universo. Hay que combinarla con la mecánica cuántica. Al hacerlo es cuando se obtiene como resultado infinito, lo cual indica que esa combinación no es correcta.

Ambas teorías son correctas en sus respectivos campos: el mundo macroscópico y el microscópico. Pero juntas generan el problema del infinito. Este problema, considerado como la obtención de un resultado sin sentido físico en una fórmula matemática, pasó después a tratarse como un recordatorio de nuestra limitación práctica: no conocemos qué ocurre a distancias más pequeñas de las que podemos observar.

Uno de los intentos teóricos para resolver el problema del infinito es la teoría de cuerdas y su sucesora de las supercuerdas (1974, Swartz), que considera las partículas como filamentos en forma de aros vibrantes, como pequeñas gomas elásticas. Esta teoría pretende incorporar la relatividad general al modelo estándar, aunque no está comprobada. Cuando se consiga la unificación, la relatividad general será un caso concreto de la teoría cuántica, igual que Einstein da cabida a Newton.

Como las supercuerdas tienen forma, al chocar no ofrecen una distancia cero, puesto que hay partes de ellas que no están en contacto. Al no tener que dividir por cero, no se obtiene infinito. Pero para formular la teoría de las supercuerdas se necesitan hasta once dimensiones ocultas, siete más que las tres conocidas más el tiempo (espacio-tiempo de cuatro dimensiones). Una dimensión es una dirección en la que pueden moverse las cosas. Según las supercuerdas, las dimensiones adicionales están presentes en el mundo microscópico.

En el centro de los agujeros negros, de densidad infinita, las partículas están comprimidas, y debería ser imposible que hubiera movimiento. Sin embargo, se produce energía, según la radiación Hawking (1974). Para resolver el enigma, se actualizó la teoría de las supercuerdas: las partículas elementales ya no eran cuerdas individuales, sino membranas (“branas”) formadas por muchas cuerdas, como un tejido.

Una vez Polchinski formuló esto en 1998, se calculó la energía dentro de los agujeros negros, considerando que las branas la generan moviéndose en las dimensiones adicionales. Mientras, la teoría M (1995, Witten), intenta conciliar todas las teorías de las supercuerdas para constituirse en la teoría del Todo.

La principal competidora de la teoría de las supercuerdas es la gravedad cuántica de bucles (1986, Ashtekar), que no propone dimensiones adicionales y supone que a escalas muy pequeñas el espacio-tiempo está formado por una red de lazos entretejidos en una especie de espuma dividida en trozos indivisibles. Esto supone que la geometría del espacio sería similar a la división en cuantos de la mecánica cuántica, y propone que el Big Bang es un momento del Big Bounce (Gran Rebote).