“Inicialmente, se presenta, de modo simplificado, el Modelo Estándar como una teoría sofisticada que identifica las partículas elementales y sus interacciones. Después, en el ámbito de esa teoría, se enfocan aspectos –el vacuo no es vacío; partículas desnudas y vestidas; materia oscura y viento oscuro; materia y antimateria; el campo y el bosón de Higgs; neutrinos oscilantes– que pueden ser motivadores desde el punto de vista de la enseñanza y del aprendizaje de la Física. Finalmente, se discute la probable superación de esa teoría por otra más completa.”

“… el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones.”

La Física actual busca una teoría más amplia que el modelo estándar . Una teoría que dé una descripción completa, unificada y consistente de la estructura fundamental del universo. ¿Será la compleja Teoría de cuerdas,que integra también la interacción gravitaroria?

El modelo estándar es una poderosa herramienta pero no cumple todas las expectativas; no es un modelo perfecto. En primer lugar, podríamos empezar por criticar que el modelo tiene casi veinte constantes que no se pueden calcular. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de todos estos parámetros o números inexplicables y sus valores, pero el problema de todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca han sido enteramente convincentes. ¿Por qué se iba a preocupar la naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo, tal como el principio de la relatividad, pero no queremos abandonar todos los demás principios que ya conocemos. Ésos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del modelo estándar. El mejor lugar para buscar un nuevo principio es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría y, construímos máquinas como el LHC para que nos diga lo que no sabemos.

Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo. El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.

Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón?

Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.

Claro que las cosas no son tan sencilla y si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.

Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas que nos lleven a poder hacer otras preguntas que en este momento, no sabemos ni plantear por falta de conocimientos.  Si no conociéramos que los protones están formados por Quarks, ¿cómo nos podríamos preguntar si habrá algo más allá de los Quarks?

El gobierno de Estados Unidos, después de llevar gastados miles de millones de dólares, suspendió la construcción del supercolisionador superconductor de partículas asestando un duro golpe a la física de altas energías, y se esfumó la oportunidad para obtener nuevos datos de vital importancia para el avance de este modelo, que de momento es lo mejor que tenemos.

Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultradébilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman “materia oscura”.

Que aparezcan “cosas” nuevas y además, imaginarlas antes, no es fácil. Recordemos cómo Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta. Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.

Se piensa que al principio del comienzo del tiempo, cuando surgió el Big Bang, las energías eran tan altas que allí reinaba la simetría total; sólo había una sola fuerza que todo lo englobaba. Más tarde, a medida que el universo se fue expandiendo y enfriando, surgieron las cuatro fuerzas que ahora conocemos y que todo lo rigen. Tenemos los medios, en los supercolisionadores de partículas, para viajar comenzando por 1.000 MeV, hasta finalizar en cerca de 10¹⁹ MeV, que corresponde a una escala de longitudes de aproximadamente 10^–30 cm. Howard Georgi, Helen Quinn y Steven Weinberg descubrieron que ésta es la región donde las tres constantes de acoplamiento gauge se hacen iguales (U(1), SU(2) y SU(3)); resultan ser lo mismo. ¿Es una coincidencia que las tres se hagan iguales simultáneamente? ¿Es también una coincidencia que esto suceda precisamente en esa escala de longitud? Faltan sólo tres ceros más para alcanzar un punto de retorno. Howard Georgi y Sheldon Glashow descubrieron un modelo genuinamente unificado en el dominio de energías de 10¹⁹ MeV tal que, cuando se regresa de allí, espontáneamente surgen las tres fuerzas gauge tal como las conocemos. De hecho, ellos encontraron el modelo; la fórmula sería SU(5), que significa que el multiplote más pequeño debe tener cinco miembros.

Materia y Energía Oscura… Un Misterio…Sin resolver.

Y, a todo esto, ¿dónde está esa energía oculta? ¿Y donde la materia? Podemos suponer que la primera materia que se creo en el Universo fue la que llamamos (algún nom,bre había que ponerle) “Materia Oscura”, esa clase de Ilem o sustancia primera del Universo que mejor sería llamarla invisible, ya que, de no ser así, difícil sería explicar cómo se pudieron formar las primeras estrellas y galaxias de nuestro Universo, ¿dónde está el origen de la fuerza de Gravedad que lo hizo posible, sino en esa materia escondida?

¡Lo dicho! Necesitamos saber, y, deseo que de una vez por todas, se cumpla lo que dejó dicho Hilbert en su tumba de Gotinga (Alemania): “Tenemos que saber, ¡sabremos!. Pero…

¡Que sea pronto!

emilio silvera

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Como pueden haber deducido por el título, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el universo.

La interacción más potente de todas es la que hace posible que los núcleos atómicos existan al mantener confinados a los quarks dentro de los nucleones (protones y neutrones)

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar en una teoría o modelo a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Figuras

Estos diagramas son una concepción artística de los procesos físicos. No son exactos y no están hechos a escala. Las áreas sombreadas con verde representan la nube de gluones o bien el campo del gluón, las líneas rojas son las trayectorias de los quarks.

En el texto del recuadro dice: Un neutrón decae en un protón, un electrón y un antineutrino, a través de un bosón virtual (mediador). Este es el decaimiento beta del neutrón.

En el texto del recuadro dice: Una colisión electrón – positrón (antielectrón) a alta energía puede aniquilarlos para producir mesones B⁰ y Bbarra⁰ a través de un bosón Z virtual o de un fotón virtual.

El texto del recuadro dice: Dos protones que colisionan a alta energía pueden producir varios hadrones más partículas de masa muy grande tales como los bosones Z. Este tipo de suceso es raro pero puede darnos claves cruciales sobre cómo es la estructura de la materia.

Aunque no pueda dar esa sensación, todo está relacionado con las interacciones fundamentales de la materia en el entorno del espacio-tiempo en el que se mueven y conforman objetos de las más variadas estructuras que en el Universo podemos contemplar, desde una hormiga a una estrella, un mundo o una galaxia. Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza siempre están presentes y de alguna manera, afecta a todo y a todos.

Cuando hablamos de la relatividad general, todos pensamos en la fuerza gravitatoria que es unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética. Es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa. Es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del universo juntos. De hecho, sin esta fuerza no existiría el Sistema Solar ni las galaxias, y seguramente, nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal es la relatividad general deEinstein, mucho más completa y profunda.

Nadie ha podido lograr, hasta el momento, formular una teoría coherente de la Gravedad Cuántica que unifique las dos teorías. Claro que, la cosa no será nada fácil, ya que, mientras que aquella nos habla del macrocosmos, ésta otra nos lleva al microcosmos, son dos fuerzas antagónicas que nos empeñamos en casar.

       Seguimos empeñados en buscar esa teoría que una lo muy grande con lo muy pequeño y la Gravedad, hasta el momento no da el sí

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

      Las partículas colisionan ente sí y se producen cambios y transiciones de fase

Algunos han puesto en duda la realidad del Modelo Estándar que, como se ha dicho aquí en otros trabajos, está construído con el contenido de una veintena de parámetros aleatorios (entre ellos el Bos´çon de Higgs) que no son nada satisfactorios para dar una conformidad a todo su entramado que, aunque hasta el momento ha sido una eficaz herramienta de la física, también es posible que sea la única herramienta que hemos sabido construir pero que no es ¡la herramient! 

Es posible que sola sea cuestión de tiempo y de más investigación y experimento. En el sentido de la insatisfacción reinante entre algunos sectores, se encuentran los físicos del experimento de alta energía BaBar, en el SLAC, un acelerador lineal situado en Stanford (California). Según ellos, la desintegración de un tipo de partículas llamado «B to D-star-tau-nu» es mucho más frecuente de lo predicho por el modelo estándar. Puede que no sea importante y puede que, hasta la existencia del Bosón de Higgs esté en peligro a pesar de que en el LHC digan que se ha encontrado.

                                       Esquema del decaimiento Beta y una sencilla explicación de la interacción débil

La fuerza débil recibe su nombre porque a la escala de sus interacciones es la más débil dentro del modelo estándar. Pero ojo, esto no incluye la gravedad, puesto que la gravedad no pertenece al modelo estándar por el momento. La interacción débil ocurre a una escala de  metros, es decir, la centésima parte del diámetro de un protón y en una escala de tiempos muy variada, desde  segundos hasta unos 5 minutos. Para hacernos una idea, esta diferencia de órdenes de magnitud es la misma que hay entre 1 segundo y 30 millones de años.

La interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción  electromagnética, ocurre entre leptones y en la desintegración de los hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos. En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios, que para esta fuerza son las partículas W⁺, W^– y Z⁰.  Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

                      Propiedades de los Bosones mediadores intermediarios de la fuerza débil

La teoría electrodébil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1.967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS.  También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

                               El electromagnetismo está presente por todo el Universo

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromodinámica cuántica.

La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite unirse a los quarks para formar hadrones. A pesar de su fuerte intensidad, su efecto sólo se aprecia a distancias muy cortas del orden del radio atómico. Según el Modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el Gluón.  La teoría que describe a esta interacción es la cromodinámica cuántica  (QCD) y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980 y por lo que recibieron el Nobel 30 años más tarde cuando el experimento conformó su teoría.

La interacción fuerte, como se ha explicado muchas veces, es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza, es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo del átomo. Como los protones y neutrones están compuestos de Quarks, éstos dentro de dichos bariones, están sometidos o confinados en aquel recinto, y, no se pueden separar por impedirlo los gluones que ejercen la fuerza fuerte, es decir, esta fuerza, al contrario que las demás, cuando más se alejan los quarks los unos de los otros más fuerte es. Aumenta con la distancia.

En la incipiente teoría del campo electromagnético sugerida por Faraday, desaparecía la distinción esencial entre fuerza y materia, introduciendo la hipótesis de que las fuerzas constituyen la única sustancia física.

Las características de las fuerzas eran:

1. Cada punto de fuerza actúa directamente sólo sobre los puntos vecinos.

2. La propagación de cualquier cambio de la intensidad de la fuerza requiere un tiempo finito.

3. Todas las fuerzas son básicamente de la misma clase; no hay en el fondo fuerzas eléctricas, magnéticas ni gravitatorias, sino sólo variaciones (probablemente geométricas) de un sólo tipo de fuerza subyacente.

Lo importante al considerar la influencia de la metafísica de Faraday en sus investigaciones, es su suposición de que la teoría de campos ofrece una explicación última a todos los fenómenos. Los cuerpos sólidos, los campos eléctricos y la masa de los objetos son, de alguna forma,  sólo apariencias. La realidad subyacente es el campo, y el problema de Faraday era encontrar un lazo de unión entre las apariencias y la supuesta realidad subyacente

       Estaría bueno que al final del camino se descubriera que todas son una sola fuerza con distintas manifestaciones según el ámbito en el que la podamos encontrar, así se comporta.

El concepto de campo de Faraday ha dado mucho juego en Física, es un concepto ideal para explicar cierttos fenómenos que se han podido observar en las investigaciones de las fuerzas fundamentales y otros. El campo no se ve, sin embargo, está ahí, rodea los cuerpos como, por ejemplo, un electrón o el planeta Tierra que emite su campo electromagnético a su alrededor y que tan útil nos resulta para evitar problemas.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang–Mills. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.” Por todo lo antes expuesto, es preciso conocer los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente  “el espacio tiempo” nos limita y, me remitiré a  las más comunes, importantes y conocidas como:

–  Protón, que es una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1’672614×10^-27 Kg, que es 1836,12 veces la del electrón^. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que estáformado por partículas más simples, los Quarks. Es decir, un protón está formado por dos quarks up y un quark down.

–  Neutrón, que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo. Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo m_n), siendo de 1’6749286(10)×10^-27 kg. Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno que está formado por un solo protón. Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1.932 por James Chadwick (1891-1974. El protón está formado por tres quarks, dos quarks down y un quark up. Fijáos en la diferencia entre las dos partículas: la aparentemente minúscula diferencia hace que las dos partículas “hermanas” se comporten de formas muy distintas: la carga del protón es  +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.

           Andamos a la caza de los neutrinos

Los neutrinos, se cree que no tienen masa o, muy poca, y, su localización es difícil. Se han imaginado grandes recipientes llenos de agua pesada que, enterrados a mucha profundidad en las entrañas de la Tierra, en Minas abandonadas, captan los neutrinos provenientes del Sol y otros objetos celestes, explosiones supernovas, etc.

–  Neutrino, que es un leptón que existe en tres formas exactas pero (se cree que) con distintas masas. Tenemos el v_e (neutrino electrónico) que acompaña al electrón, v_μ (neutrino muónico) que acompaña al muón, y v_t (neutrino tau) que acompaña a la partícula tau, la más pesada de las tres. Cada forma de neutrino tiene su propia antipartícula.

El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la “energía perdida” en la desintegración beta. Fue identificado de forma tentativa en 1.953 y definitivamente en 1.956. Los neutrinos no tienen carga y se piensa que tienen masa en reposo nula y viajan a la velocidad de la luz, como el fotón. Hay teorías de gran unificación que predicen neutrinos con masa no nula, pero no hay evidencia concluyente.

Se ha conseguido fotografíar a un electrón. Poder filmar y fotografiar un electrón no es fácil por dos razones: primero, gira alrededor del núcleo atómico cada 0,000000000000000140 segundos , y, segundo, porque para fotografiar un electrón es necesario bombardearlo con partículas de luz (y cualquier que haya intentado sacarle una foto a un electrón sabe que hay que hacerlo sin flash).

–  Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9’109 3897 (54)×10^-31Kg y una carga negativa de 1´602 177 33 (49) x 10^-19 culombios. Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres. Su antipartícula es el positrón, predicha por Paul Dirac.

        El núcleo del átomo constituye el 99,9% de la masa

En los átomos existen el mismo número de protones que el de electrones, y, las cargas positivas de los protones son iguales que las negativas de los electrones, y, de esa manera, se consigue la estabilidad del átomo al equilibrarse las dos fuerzas contrapuestas. El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 1940). El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto. Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorente–Dirac.

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado radio clásico del electrón, dado por e²/(mc²) = 2’82×10^-13cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz^. Este modelo también tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Muchas son las partículas de las que aquí podríamos hablar, sin embargo, me he limitado a las que componen la materia, es decir Quarks y Leptones que conforman Protones y Neutrones, los nucleaones del átomo que son rodeados por los electrones. El Modelo Estándar es la herramienta con la ue los físicos trabajan (de momento) hasta que surjan nuevas y más avanzadas teorías que permitan un modelo más eficaz y realista. De Wikipedia he cogido el cuadro comparativo de las fuerzas.

Tabla comparativa

Interacción7	Teoría descriptiva	Mediadores	Fuerza relativa	Comportamiento con la distancia (r)	Alcance (m)
Fuerte	Cromodinámica cuántica (QCD)	gluones	1038		10-15
Electromagnética	Electrodinámica cuántica (QED)	fotones	1036
Débil	Teoría electrodébil	bosones W y Z	1025		10-18
Gravitatoria	Gravedad cuántica	gravitones (hipotéticos)	1

La teoría cuántica de campos es el marco general dentro del cual se inscriben la cromodinámica cuántica, la teoría electrodébil y la electrodinámica cuántica. Por otra parte la “gravedad cuántica” actualmente no consiste en un marco general único sino un conjunto de propuestas que tratan de unificar la teoría cuántica de campos y la relatividad general.

Van surgiendo por ahí nuevas conjeturas como, por ejemplo, las de Maldacena. En 1997 el joven físico argentino Juan Maldacena sugirió utilizar esta solución de gravedad para describir la teoría gauge que vive en las D-Branas.

“Las consecuencias de esta conjetura son muy importantes, pues existe la posibilidad de que el resto de interacciones (electromagnéticas y nucleares) sean tan sólo una ilusión, el reflejo sobre el cristal de un escaparate del contenido de la tienda. Así, podría ser que el electromagnetismo tan sólo sea la imagen proyectada de la interacción de algunas cuerdas en un supuesto interior del espacio-tiempo. De la misma manera, la necesidad de compactificar las dimensiones adicionales desaparece en cierto modo si consideramos que, quizás, nuestro mundo sea solamente la frontera; siendo el interior del espacio-tiempo inaccesible.”

 

Que gran sorpresa sería si al final del camino se descubriera que en realidad solo existe una sola fuerza: La Gravedad, de la que se derivan las otras tres que hemos podido conocer en sus ámbitos particulares y que, ¿por qué no? podrían surgir a partir de aquella primera y única fuerza existente en los principios o comienzos del Universo: ¡La Gravedad! Que no acabamos de comprender.

emilio silvera

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Generalmente las llamamos partículas elementales pero, lo cierto es que, algunas son más elementales que otras. Los físicos experimentadores hicieron un buen trabajo en aquellos antiguos aceleradores de partículas por despejar la incognita y saber, de una vez por todas, de qué estaba hecha la materia.

Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones, alrededor de los cuales orbitan los electrones. Estos tres elementos (protones, neutrones y electrones) constituyen prácticamente toda la materia de la Tierra. Mientras que el electrón se considera como una partícula “sin tamaño”, el protón, que está compuesto de quarks, es un objeto con tamaño específico. Hasta ahora, sólo dos métodos se han utilizado para medir su radio. Basándose en el estudio de las interacciones entre un protón y un electrón, ambos métodos se centran en las colisiones entre uno y otro o sobre el átomo de hidrógeno (constituido por un electrón y un protón). El valor obtenido y que es el utilizado por los físicos, es 0,877 (+ / – 0,007) femtómetros.

                                 Masa atómica

Una de las formas como los científicos miden el tamaño de algo es a través de su masa. Los científicos pueden incluso medir cosas muy minúsculas como los átomos. Una medida del tamaño de un átomo es su “masa atómica”. Casi toda la masa de un átomo (más del 99%) está en su núcleo, de manera que la “masa atómica” es realmente una medida del tamaño del núcleo de un átomo.

Los protones son practicamente del mismo tamaño que los neutrones, y ambos son mucho más grandes que los electrones. Un protón tiene una masa aproximadamente 1.836 veces mayor que la masa del electrón, pero las masas de los protones y neutrones se diferencian menos de uno por ciento. Un protón tiene una masa de 1.6726 x 10^-24gramos. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, conocida a veces como carga elemental, carga fundamental o carga de +1. Los electrones tienen una carga del mismo valor pero de polaridad opuesta, -1. La carga fundamental tiene un valor de 1.602 x 10^-19 coulombios.

                                                      Núcleo atómico

El núcleo de un átomo contiene protones y neutrones. Cada elemento (como el carbono, oxígeno o el oro) tiene diferente número de protones en sus átomos. Los científicos tienen un nombre especial para el número de protones en un átomo. Lo llaman “número atómico”.

¿Por qué es importante el número atómico? Los átomos normales tienen el mismo número de electrones que protones. El número de electrones es lo que hace que cada elemento se comporte de cierta manera en reacciones químicas. De manera que el número atómico, que es el número de protones y electrones, es lo que hace que un elemento sea diferente a otro.

Hace algunos años ya que los físicos se preguntaban: ¿Podrían los protones ser puntos? Y, tratándo de saberlo, comenzaron a golpear los protones con otros protones de una energía muy baja (al principio) con el objeto de explorar la fuerza electromagnética entre los dos objetos cargados.

El Acelerador Lineal de Stanford. El SLAC, ubicado al sur de San Francisco, acelera electrones y positrones a lo largo de sus 2 millas de longitud (algo mas de tres kilómetros), hacia varios blancos, anillos y detectores ubicados en su finalización. Este acelerador hace colisionar electrones y positrones, estudiando las partículas resultantes de estas colisiones. Construido originalmente en 1962, se ha ido ampliando y mejorando para seguir siendo uno de los centros de investigación de física de partículas mas avanzados del mundo. El Centro ha ganado el premio Nobel en tres ocasiones.

Si los físicos experimentales de la década de los 60 hubieran podido tener a su disposición el moderno LHC… ¿Dónde estaríamos ahora?

La interacción fuerte es cien veces más intensa que la fuerza eléctrica de Coulomb, pero, al contrario que ésta, su alcance no es en absoluto infinito. Se extiende sólo hasta una distancia de unos 10^-13 centímetros, y luego cae deprisa a cero. Al incrementar la energía de colisión, los experimentos desenterraron más y más detalles desconocidos de la interacción fuerte. A medida que aumenta la energía, la longitud de onda de los protones (acordémonos de De Broglie y Schrödinger) se encoge. Y, como se pudo ver, cuanto menor sea la longitud de onda , más detalles cabe discernir en la partícula que se estudie.

Robert Hofstadter, de la Universidad de Stantanford, tomó en los años cincuenta algunas de las mejores “imágenes” del protón. En vez de un haz de protones, la “luz” que utilizó fue un haz de electrones de 800 MeV que apuntó a un pequeño recipiente de hidrógeno líquido. Los electrones bombardearon los protones del hidrógeno y el resultado fue un patrón de dispersión, el de los electrones que salían en una variedad de direcciones con respecto a su movimiento original. No era muy diferente a lo que hizo Rutherford. Al contrario que el protón, el electrón no responde a la interacción nuclear fuerte. Responde sólo a la carga eléctrica del protón, y por ello los científicos de Stanford pudieron explorar la forma de la distribución de carga del protón. Y esto, de hecho, reveló el tamaño del protón. Claramente no era un punto.

Se midió que el radio del protón era de 2,8 x 10^-13 centímetros; la carga se acumula en el centro, y se desvanece en los bordes de lo que llamamos el protón. Los experimentos se repitieron muchas veces y los resultados, siempre fueron parecidos al hacerlos con haces de muones, que también ignoran la interacción fuerte al ser leptones como los electrones.  (Medidas más precisas llevadas a cabo en nuestro tiempo, han podido detectar, diminutos cambios en el radio del protón que tienen enormes implicaciones. El protón parece ser 0,00000000000003 milímetros más pequeño de lo que los investigadores habían pensado anteriormente, de hecho, y según han comentados los físicos del equipo que hizo el trabajo,  las nuevas medidas podrían indicar que hay un hueco en las teorías existentes de la mecánica cuántica y algo falla en alguna parte.)

                        La imágen tomada en el SLAC, nos choca, todos tenemos en la mente las del LHC

Pero sigamos con la historia. Hallá por el año 1968, los físicos del Centro del Acelerador Lineal Stanford (SLAC), bombarderon los protones con electrones de mucha energía -de 8 a 15 GeV- y obtuvieron un conjunto muy diferente de patrones de dispersión. A esta “luz dura”, el protón presentaba un aspecto completamente distinto. Los electrones de energía relativamente baja que empleó Hofstadter podían ver sólo un protón “borroso”, una distribución regular de carga que hacía que el electrón pareciése una bolita musgosa. Los electrones del SLAC pudieron sondear con mayor dureza y dieron con algunos “personajillos” que “correteaban” dentro del protón. Aquella fue la primera indicación de la existencia real de los Quarks.

Todo avance ha requerido de muchísimo esfuerzo y de lo mejor de muchas mentes. Como podéis ver por la escueta y sencilla explicación aquí contenida, hemos aprendido muchas cosas a base de observar con atención los resultados de los experimentos que la mente de nuestra especie ha ideado para poder descubrir los secretos de la Naturaleza. Hemos aprendido acerca de las fuerzas y de cómo originan sus estructuras complejas, como por ejemplo los protones que no son, tan elementales como en un principio se creía. Los protones (que son Bariones) están formados por tres quarks y, sus primos  (los Mesones) están compuestos por un quark y un anti-quark.

Como nos decía el Nobel León Lederman: “Uno no puede por menos que  sentirse impresionado por la secuencia de ¡semillas dentro de semillas!. La molécula está formada por átomos. La región central del átomo es el nucleo. El núcleo está formado por protones y neutrones. El protón y el neutrón están formados por… ¿hasta dónde llegará ésto?

No es fácil conformarse con la idea de que, en los Quarks termina todo. Uno se siente tentado a pensar que, si profundizamos más utilizando energías superiores de las que ahora podemos disponer (14 TeV), posiblemente -sólo posiblemente- podríamos encontrarnos con objetos más pequeños que… ¡como cuerdas vibrantes! nos hablen de la verdadera esencia de la materia que, habiéndonos sido presentada ya, es posible que esconda algunos secretos que tendríamos que desvelar.

         ¡Poder profundizar hasta el límite de Planck con la energía de Planck! ¿Qué encontraríamos allí?

Lo cierto que, de momento, sólo es un sueño y, la energía de Planck está muy lejos de nuestro alcance. Poder contar con la energía de Planck, por el momento y durante mucho, mucho, muchísimo tiempo, será sólo un sueño que algunos físicos tienen en la mente. Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo. El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.

equilibrio y estabilidad, el resultado de dos fuerzas contrapuestas

Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón? y, por no dejar nada en el tintero… ¿Dónde estarán las cuerdas?

                                               Los Bosones de gauge aparecen en la columna derecha

Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza (Gravedad),  y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.

Claro que las cosas no son tan sencilla y si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.

Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas que nos lleven a poder hacer otras preguntas que en este momento, no sabemos ni plantear por falta de conocimientos.  Si no conociéramos que los protones están formados por Quarks, ¿cómo nos podríamos preguntar si habrá algo más allá de los Quarks?

Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultradébilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman “materia oscura”.

Que aparezcan “cosas” nuevas y además, imaginarlas antes, no es fácil. Recordemos cómo Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta. Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la realtividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.

Claro que, a todo esto, tenemos que pensar en un Universo muy vasto y muy complejo que está dinamizado por leyes y energías que, aunque creemos conocer, nos puede estar ocultando muchas “cosas” que aún no sabemos y, llegar más allá de los Quarks…¡No será nada fácil!

Si pensamos detenidamente lo que hasta el momento llevamos conseguido (aunque nuestros deseos se desboquen queriendo ir mucho más allá), tendremos que convenir en el hecho cierto de que, haber podido llegar al átomo y también a las galaxias es, al menos ¡asombroso! Sabemos de lugares a los que, físicamente (probablemente) nunca podamos ir, la física nos lo impide…al menos de momento en lo relacionado con las galaxias y, de manera irreversible para el “universo cuántico” que sólo podremos sondear con inmensas energías en los aceleradores que nos dirán, lo que queremos saber.

emilio silvera

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Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la Tabla Periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico”. Esos pequeños objetos que no podemos ver, de dimensiones infinitesimales, son, en definitiva, los componentes de todo lo que contemplamos a nuestro alrededor: Las montañas, ríos, Bosques, océanos, los más exoticos animales y, nosotros mismos, estamos hechos de Quarks y Leptones que, en nuestro caso, han podido evolucionar hasta llegar…¡A los pensamientos!

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