Quarks,
leptones y sus interacciones: ¿cuáles son los componentes fundamentales de la
materia?
(Por
Ángel M. Uranga Urteaga)
Capítulo 46 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
La sencilla pregunta “¿de qué están
hechas las cosas?” ha constituido, desde los primeros filósofos griegos, uno de
los motores principales del pensamiento racional de la Humanidad. Hoy día, la
respuesta científica a esta pregunta nos sumerge en la física de partículas,
que explora las leyes cuánticas de la naturaleza a las escala de longitud más
pequeñas accesibles experimentalmente, aproximadamente 10-18 metros.
A
nuestra escala cotidiana, de metros o centímetros, las sustancias materiales
que nos rodean parecen un continuo. Pero descendiendo a escalas del Amstrong
(10-10 metros), se observa que los objetos están compuestos de
moléculas, estados ligados de átomos. Un resultado fascinante de la ciencia del
siglo XIX es la comprensión de que toda
la materia conocida se reduce a combinaciones de aproximadamente cien tipos de
objeto, los átomos de la tabla de Mendeléyev, cuyas regularidades además
codifican las propiedades químicas de los elementos correspondientes. Hoy día
sabemos que estos átomos no son elementales, indivisibles, sino que están
compuestos de electrones con carga eléctrica negativa, que orbitan alrededor de
un núcleo cargado positivamente, muy masivo y de tamaño extremadamente
diminuto, unos 10-15 metros. Es más, mientras que los electrones sí
que parecen elementales (hasta la escala de distancias que ha sido posible
comprobar experimentalmente), los núcleos están compuestos de protones y
neutrones, con masas aproximadamente iguales, pero con cargas positiva y
neutra, respectivamente. A su vez, los protones y neutrones tampoco son
elementales, sino que están compuestos de tres partículas, los quarks, que sí
parecen ser elementales (hasta donde ha sido posible comprobar
experimentalmente). Las propiedades de protones y neutrones son consecuencia de
las de sus quarks componentes. Por ejemplo, la carga eléctrica de valor +1 (en
unidades adecuadas) de un protón, proviene de que está compuesto de dos quarks
de tipo “up” (con carga eléctrica +2/3 cada uno) y un quark de tipo “down” (con
carga -1/3); mientras que la carga nula de un neutrón, se sigue de que está
compuesto de un quark de tipo “up” y dos quarks de tipo “down”. Además de por
su carga eléctrica fraccionaria, los quarks son partículas peculiares por otros
motivos: no existen como partículas libres, sino que necesariamente están
confinadas en estados ligados por la interacción de color, que describiremos
más adelante.
Por
tanto, la materia ordinaria está compuesta de quarks “up”, “down” y electrones.
Además, están los neutrinos (concretamente los de tipo electrónico), que son
partículas prácticamente sin masa y que interactúan muy poco intensamente con
cualquier otra, por lo que no son componentes de los átomos y objetos
ordinarios. Sin embargo, están muy relacionados con las partículas anteriores:
un quark down puede transformarse en un quark up emitiendo un positrón
(antipartícula del electrón) y un neutrino. Este proceso está mediado por la
interacción débil, que describiremos más adelante.
Los
quarks up y down, el electrón y el neutrino electrónico conforman la denominada
primera familia de partículas elementales, que componen toda la materia
ordinaria que nos rodea. Sorprendentemente, existen otras dos familias de
partículas elementales, con una estructura muy similar: la segunda familia
contiene dos quarks, denominados de tipo “charm” y “strange” (con cargas eléctricas
+2/3 y -1/3, respectivamente, y con interacciones de color), y dos “leptones”:
una partícula cargada negativamente denominada el muón (similar al electrón,
pero más pesado), y un neutrino muónico con masa casi nula. La tercera familia
contiene dos quarks, de tipo “top” y “bottom”, y dos leptones: la partícula
tau, cargada negativamente, y el neutrino tauónico. La estructura de cargas e
interacciones de la segunda y tercera familia sigue el mismo patrón que la
primera, y solo se distinguen en que las masas de sus partículas son mayores.
Esto implica que las partículas de la segunda y tercera familias son inestables
y se desintegran en una fracción de segundo en partículas de la primera
familia. Por tanto, las partículas de las dos familias adicionales no forman
parte de la materia estable: para cuando se unen en un estado ligado, como por
ejemplo un “átomo de la segunda familia”, se desintegran en partículas de la
primera familia, resultando en un átomo ordinario.
No
se conoce ninguna razón fundamental por la que deban existir precisamente tres
familias, es un hecho experimental sin explicación teórica conocida. De hecho,
sería concebible que existieran más familias, aunque en ese caso algunas de sus
propiedades deberían ser distintas: por ejemplo, la masa de los neutrinos
correspondientes debería ser extremadamente alta, ya que el estudio de la
desintegración del bosón Z (ver más adelante) en el CERN, Ginebra, Suiza,
impone cotas muy fuertes al respecto. Este tipo de datos experimentales apoyan
la hipótesis más sencilla de que el número de familias de quarks y leptones es
exactamente tres.
Las
partículas de materia, los quarks y leptones que hemos descrito, se manifiestan
como elementales a las escalas accesibles experimentalmente. Esto no quiere decir
que no estén compuestas de otras partículas más pequeñas, pero si sucede,
debería ocurrir a una escala de distancia menor que la explorada, 10-18 metros.
Para
entender cómo las partículas forman estructuras y componen los objetos, es
necesario describir sus interacciones. Un enorme éxito de la física ha sido
reducir todas las fuerzas de la naturaleza a cuatro interacciones
fundamentales, que actúan sobre las partículas elementales. Son la gravedad, la
fuerza electromagnética, la interacción fuerte (o de color) y la interacción
débil. La gravedad actúa sobre todas las partículas y es siempre atractiva; a
nivel de partículas elementales es increíblemente menos intensa que las demás
interacciones, pero es acumulativa, por lo que domina la dinámica en el mundo
macroscópico. El electromagnetismo describe todos los fenómenos eléctricos y
magnéticos, incluida la luz, y en concreto es la interacción que permite a los
núcleos y electrones formar átomos, y de forma residual a los átomos formar
moléculas mediante el enlace químico. La interacción fuerte es la que mantiene
a los quarks unidos formando protones y neutrones, y de forma residual une a
éstos en los núcleos atómicos; opera solo a escalas comparables al radio de un
protón, 10-15 metros. La interacción débil es menos intensa que la
fuerte o la electromagnética, pero es especial por ser la única interacción que
transforma el tipo de partículas que participan en una interacción (como
advertimos anteriormente, en la desintegración de un quark down en un up, un
positrón y un neutrino); esto es esencial para las reacciones en el corazón de
las estrellas en las que núcleos de hidrógeno (protones) se fusionan y forman
núcleos de helio (formados de dos protones y dos neutrones, producidos por la
transmutación de protones mediante la interacción débil), emitiendo luz y
calor, y , en el caso del Sol, posibilitando la vida en la Tierra.
En
el contexto de la física cuántica que rige el comportamiento en esas escalas
microscópicas, cada interacción tiene una partícula de fuerza asociada, el
“cuanto” del campo correspondiente. La interacción electromagnética tiene
asociada una partícula, denominada el fotón, sin masa, que interactúa con las
partículas cargadas. La interacción fuerte tiene asociadas ocho partículas denominadas
gluones, sin masa, que interactúan con los quarks a través de un nuevo tipo de
carga, denominado “color”, que toma tres posibles valores. La interacción de
color es casi nula a muy cortas distancias, pero extremadamente intensa a
distancias mayores que el radio de un protón, por lo que cualquier partícula
con carga de color está confinada en estados ligados: mesones, que son
combinaciones de quarks y antiquarks, o bariones (como el protón y el neutrón),
que son combinaciones de tres quarks con los tres colores posibles). Por ello,
no es posible observar quarks aislados, solo como componentes de estados
ligados. Sin embargo, la existencia física de los quarks está completamente
establecida, ya que se comportan como partículas esencialmente libres a distancias
muy cortas, como se ha comprobado en experimentos de dispersión inelástica
profunda (Deep Inelastic Scattering). La interacción débil tiene como
mediadoras tres partículas, denominadas bosón Z y bosones W. Estas partículas
de interacción son enormemente masivas, del orden de 90 veces la masa de un
protón. Esta enorme masa es la razón última de la aparente debilidad de la
interacción débil: a bajas energías, la probabilidad cuántica de crear un
mediador tan masivo es muy pequeña, lo que resulta en una interacción muy poco
intensa. A las altas energías accesibles en los aceleradores de partículas
actuales, sin embargo, los bosones Z y W se producen copiosamente, y la
interacción débil es tan intensa como la electromagnética (y de hecho, ambas
quedan descritas en un marco unificado conocido como interacción electrodébil).
Las
masas de los bosones Z y W, y más en general las de las partículas elementales,
están conectadas con un nuevo fenómeno, asociado con el bosón de Higgs, el
último ingrediente (por el momento) en la física de partículas. En el contexto
de la Teoría Especial de la Relatividad, cualquier tipo de masa corresponde a
una energía interna asociada a la partícula. Por ejemplo, la masa del protón
corresponde en un 99% a la energía de los campos de color creados entre los
quarks que lo componen. Sin embargo ¿qué tipo de energía interna podría
corresponder a una partícula elemental, no compuesta? La respuesta radica en el
campo de Higgs, una magnitud que llena el espacio vacío de forma homogénea, y
que se acopla a cada partícula con una intensidad diferente. Este acoplamiento
contribuye a la energía interna de la partícula, de modo que se refleja en una
inercia ante el cambio de movimiento, una masa. La masa de una partícula
elemental es simplemente una medida de su acoplamiento con el campo de Higgs.
La hipótesis del campo de Higgs predice la existencia de una nueva partícula,
el cuanto del campo de Higgs, que recibe el nombre de bosón de Higgs. Esta
partícula fue descubierta en el colisionador LHC del CERN, Ginebra, Suiza,
confirmado la hipótesis del campo de Higgs, y su papel en la explicación de las
masas de las partículas elementales. Y enseñándonos una muy importante lección
de profundas implicaciones: el vacío no es la nada.
Las
partículas de materia (las tres familias de quarks y leptones), las partículas
de interacción (fotón, gluones, y bosones Z y W), y el bosón de Higgs,
constituyen el Modelo Estándar (ME), la teoría que actualmente describe los
constituyentes últimos de la materia y sus interacciones. Se trata de un logro
excepcional para la especie humana, una construcción conceptual que explica
todos los fenómenos naturales desde las escalas macroscópicas hasta las
efervescentes fluctuaciones en el interior de los protones dentro de los
núcleos de los átomos.
Sin
embargo, existe en la comunidad científica una fuerte sensación de que la
naturaleza se reserva nuevos ases en la manga, y que los próximos años pueden
revelar nuevos tipos de partículas elementales, e incluso nuevos principios
sobre su dinámica, más allá del ME. El estudio del cosmos nos revela que la
mayor parte de la materia del universo no corresponde a las partículas del ME,
sino a un nuevo tipo de partícula que no emite luz y que constituye un fluido
cósmico conocido como materia oscura. Las peculiares propiedades del bosón de
Higgs sugieren la necesidad de nueva física a escalas alcanzables por el
colisionador LHC en los próximos años, en forma de partículas supersimétricas,
o de subestructura interna del Higgs, los quarks y/o los leptones. La
pequeñísima, pero no nula, masa de los neutrinos observados parece requerir
explicaciones que implican nuevos tipos de neutrinos super-masivos y aún por
descubrir. Finalmente, el lector atento habrá observado que no hemos mencionado
la hipotética partícula de interacción del campo gravitatorio, el gravitón, que
aún no ha sido observado experimentalmente. No obstante, la reciente detección
de ondas gravitacionales de origen astrofísico por la colaboración LIGO, así
como el estudio de la polarización de tipo B del fondo cósmico de radiación de
microondas, prometen una mejor comprensión del campo gravitatorio en el futuro.
Estos y muchos otros indicios apuntan a que nos estamos asomando a una nueva
frontera en la comprensión de las leyes fundamentales del universo.
Ángel M.
Uranga Urteaga
Doctor en Física Teórica.
Profesor de Investigación, Instituto de Física Teórica
CSIC.
Realizó su licenciatura en la Universidad del País vasco y la Universidad Autónoma de Madrid, donde posteriormente se doctoró en 1997. Después de estancias postdoctorales en el Instituto de estudios Avanzados de Princeton y en CERN, se incorporó a la Universidad Autónoma de Madrid en 2001 y al CSIC en 2002, donde permanece como miembro del Instituto de Física Teórica (IFT) UAM-CSIC, del que ha sido director.
Sus investigaciones se centran en la Teoría de Cuerdas, especialmente en la construcción de modelos de compactificación que reproducen el Modelo Estandar de Partículas Elementales. Es coautor del libro "String theory and particle physics: an introduction to string phenomenology" publicado en Cambridge University Press.
Compagina esta actividad con su faceta divulgadora, especialmente la organización desde 2013 del ciclo de conferencias de Física Fundamental del IFT en colaboración con la Residencia de Estudiantes.
ConCiencia: Una cuestión de tiempo.
Gracias por hablar tan clarito!! ...soy de letras
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