Para esto se utilizan pulsos de luz ultravioleta o de rayos X con una duración de tan sólo unos pocos cientos de attosegundos, que es la escala de tiempo en la que se mueven los electrones de forma natural. En una molécula, además de los electrones, también se mueven los núcleos atómicos que la componen.

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                 Nube de electrones que rodea al núcleo

Sabemos que los electrones son partículas de la familia de los Leptones, tienen carga negativa, que existen en una nube alrededor del núcleo atómico. Son inimaginablemente pequeños, tan pequeños que se necesita de la mecánica cuántica para explicar su comportamiento peculiar. Sin embargo y a pesar de su pequeñez, son partículas fundamentales del Universo.

Algunas propiedades:

El valor del radio del electrón el SI es 2.817 940 322 7 (19) × 10⁻¹⁵ m.

Muchas veces hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; tiene una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). La importancia del electrón es vital en el universo. Simplemente con que su carga fuera distinta en una pequeña fracción… ¡El mundo que nos rodea sería muy diferente! Y, ni la vida estaría presente en el Universo.

   La Ciencia busca, teoriza y experimenta tratando de saber cómo funciona el universo

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Hipótesis cuántica de Planck donde c es la velocidad de la luz en el vacío y k B k B es la constante de Boltzmann, k B = 1,380 × 10 −23 J/K . k B = 1,380 × 10 −23 J/K . La fórmula teórica expresada en la Ecuación 6.11 se denomina ley de radiación de cuerpo negro de Planck.

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Einstein realizó importantes descubrimientos en el campo fotoeléctrico. Éstos le hicieron merecedor del Premio Nobel de Física en 1922. El efecto fotoeléctrico afirma que un material es capaz de liberar o hacer circular electrones por un material conductor gracias a la energía recibida por un haz de luz.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas  diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, pero esto lo veremos más adelante.

La función de onda de Schrödinger nos acercó a ese mundo infinitesimal

La primera es la imagen obtenida por los físicos en el laboratorio y, la segunda es la Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, con la cual se quiere significar cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas. Lo cierto es que, el mundo de lo muy pequeño es extraño y no siempre lo podemos comprender.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿Qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿Qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Teletransporte y efecto túnel

El electrón está situado en una órbita exterior, llega un fotón energético que choca contra él, el electrón desaparece, y, de inmediato aparece en otra órbita más energética cerca del núcleo. ¿Por dónde hizo el viaje?, ¿Cómo se desplazó de una órbita a otra sin recorrer las distancias que les separan?

Pero para los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

El “universo de las partículas nunca ha sido fácil de comprender y su rica diversidad, nos habla de un vasto “mundo” que se rige por su propias reglas que hemos tenido que ir conociendo y seguimos tratando de saber, el por qué de esos comportamientos extraños y a veces misteriosos. Así, la pregunta anterior, de ¿qué puede significar todo eso?…

La pudo contestar Niels Bohr, de forma tal que,  con su explicación se pudo seguir trabajando, y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.

¿Qué es cuantizar?

“A principios del siglo XX la física sufrió dos revoluciones que la cambiaron para siempre. La mayor de ellas, la revolución cuántica, nos hizo ver que objetos matemáticos que dábamos por hecho que poseían existencia física, como, por ejemplo, la trayectoria de las partículas, en realidad de forma precisa no existen en la naturaleza. El principio de indeterminación nos dice que las partículas elementales no son ni ondas ni corpúsculos clásicos, sino unos objetos cuánticos que, en su movimiento, no siguen una trayectoria bien definida. En la teoría que describe el comportamiento de estos objetos, la mecánica cuántica, las variables dinámicas como la posición x o la cantidad de movimiento p no son números reales, sino operadores x^, p^ en un espacio vectorial cuyos elementos son los estados de la partícula cuántica. El principio de indeterminación da lugar a que estos operadores no conmutan, sino que obedecen a la relación de conmutación [x^,p^]=iℏ.

Todo en la naturaleza es cuántico y, por tanto, obedece a los principios de la mecánica cuántica.”

Así se estudia y experimenta en los aceleradores de partículas de qué está hecha la materia. El encontronazo y estallido final, nos descubre nuevas partículas. Estamos tratando de saber que puede existir más allá de los Quarks

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento musical se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a esta exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran número de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo,  la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

Mucho ha sido el camino andado hasta nuestros tratando de conocer los secretos de la naturaleza que, poco a poco, nos van siendo familiares. Sin embargo, es más el camino que nos queda por recorrer. Es mucho lo que no sabemos y, tanto el micro-mundo como en el vasto mundo de muy grande, hay que cosas que aún, no hemos llegado a comprender.

    El detector ATLAS funcionó, y rastrearon las partículas subatómicas…

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los “trucos” ingeniosos descubiertos por Werner Heisenberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a esta interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿Dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿Dónde está en realidad?, y ¿Cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

     Es cierto que, localizar y saber en qué punto exacto están esas pequeñas partículas… no es fácil

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos ahora se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de forma estricta. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un momento dado.

La teoría de probabilidades se ocupa de asignar un cierto número a cada posible resultado que pueda ocurrir en un experimento aleatorio, con el fin de cuantificar dichos resultados y saber si un suceso es más probable que otro.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.

Albert Einstein, Nathan Rosen y Boris Podolski idearon un “Gedankenexperiment”, un experimento hipotético, realizado sobre el papel, para el cual la mecánica cuántica predecía como resultado algo que es imposible de reproducir en ninguna teoría razonable de variables ocultas. Más tarde, el físico irlandés John Stewar Bell consiguió convertir este resultado en un teorema matemático; el teorema de imposibilidad.

(“El teorema de Bell o desigualdades de Bell se aplica en mecánica cuántica para cuantificar matemáticamente las implicaciones planteadas teóricamente en la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen y permitir así su demostración experimental. Debe su nombre al científico norirlandés John S. Bell, que la presentó en 1964.

Ilustración del test de Bell para partículas de espín 1/2. La fuente produce un par de espín singlete, una partícula se envía a Alicia y otra a Bob. Cada una mide uno de los dos espines posibles.

El teorema de Bell es un meta-teorema que muestra que las predicciones de la mecánica cuántica (MC) no son intuitivas, y afecta a temas filosóficos fundamentales de la física moderna. Es el legado más famoso del físico John S. Bell. El teorema de Bell es un teorema de imposibilidad, que afirma que:

Ninguna teoría física de variables ocultas locales puede reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica.”)

                ¿Cómo saber el número que saldrá cuando lanzamos los dados?

¡¡La mecánica cuántica!!, o, la perplejidad de nuestros sentidos ante lo que ese “universo cuántico” nos ofrece que, generalmente, se sale de lo que entendemos por sentido común. Ahí, en el “mundo” de los objetos infinitesimales, suceden cosas que no siempre podemos comprender. Y, como todo tiene una razón, no dejamos de buscarla en cada uno de aquellos sorprendentes sucesos que en ese lugar se producen. Podríamos llegar a la conclusión de que, la razón está en todo y solo la encontramos una vez que llegamos a comprender, mientras tanto, todo nos resulta extraño, irrazonable, extramundano y, algunas veces…imposible. Sin embargo, ahí está. Dos elementos actúan de común acuerdo para garantizar que no podamos descorrer el velo del futuro, de lo que será después (podemos predecir aproximaciones, nunca certezas), el principal de esos elementos es la ignorancia nunca podremos saber el resultado final de éste o aquél suceso sin tener la certeza de las condiciones iniciales. En la mayoría de los sistemas físicos son, en mayor o menor medida dada su complejidad, del tipo caótico es tal que, el resultado de las interacciones entre elementos es sumamente sensibles a pequeñísimas variaciones de los estados iniciales que, al ser perturbados mínimamente, hacen que el suceso final sea y esté muy alejado del que se creía al comienzo.

Lo que nos lleva a confirmar que el futuro es siempre incierto. ¿Es bueno desconocer lo que nos pasará mañana? Bueno, el Universo cree que sí, y, así lo dispuso.

Emilio Silvera Vázquez

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Decaimiento β^– de un núcleo. Se ilustra cómo uno de los neutrones se convierte en un protón a la vez que emite un electrón (β^-) y un antineutrino electrónico.

La desintegración Beta del neutrón está mediada por un Bosón W^–,que transforma uno de sus quarks, y se desintegra en el par electrón-antineutrino. Ahora leamos el reportaje de la Revista “Investigación y Ciencia”, referido a la física de partículas y a unas mediciones efectuadas que no son coincidentes.

“Dos técnicas de precisión arrojan valores distintos para el tiempo que tardan los neutrones en desintegrarse. ¿Se trata de un error experimental, o hay un misterio más profundo?

En síntesis

Un neutrón libre es un neutrón que existe fuera de un núcleo atómico. Mientras que los neutrones pueden ser estables cuando están unidos dentro de los núcleos, los neutrones libres son inestables y se desintegran con una vida media de 886 segundos, unos quince minutos.

Los neutrones libres no son estables: pasados unos 15 minutos, un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Conocer con exactitud su vida media es clave para abordar varias cuestiones en física y cosmología.

Existen dos métodos para determinar con precisión la vida media de esta partícula. El primero cuenta los neutrones que quedan en un recipiente después de cierto tiempo; el segundo cuenta los protones generados en su desintegración.

Hace años que una y otra técnica arrojan valores considerablemente dispares. Se cree que la discrepancia obedece a errores sistemáticos en alguno de los experimentos; sin embargo, hasta ahora nadie ha logrado dar con ellos.

Así hemos podido desvelar el secreto de que como se dice antes y se ve en la imagen, el neutrón al desintegrarse sigue este camino:

¹⁴ ₆C → ¹⁴ ₇N + e^–

Este proceso ocurre espontáneamente en neutrones libres, en el transcurso de 885.7(8) s de vida media.

Un neutrón está formado por dos quarks dowm (abajo) y un quark up (arriba), tiene una vida media de 14,761 minutos, es una partícula de la familia de los hadrones en su vertiente bariónica, interacción: con la Gravedad, la nuclear débil y la nuclear fuerte, su símbolo es n, su antipartícula es el antineutrón, la teorizo Rutherford y la descubrió James Chadwick, su masa es de  1,674 927 29(28)×10⁻²⁷ K., la carga eléctrica es cero, espín ½. Se conoce cuando forma parte del átomo por nucleón.

Por suerte para la vida en la Tierra, la mayor parte de la materia no es radiactiva. Aunque no solemos darle demasiada importancia, este hecho no deja de resultar sorprendente, ya que el neutrón (uno de los constituyentes, junto con el protón, de los núcleos atómicos) es propenso a desintegrarse. En el interior de un núcleo típico el neutrón puede vivir durante largo tiempo, pero, aislado, se desintegra en otras partículas en unos 15 minutos. Decimos «unos 15 minutos» para ocultar nuestra ignorancia al respecto, ya que, hasta ahora, no hemos sido capaces de medir con exactitud la vida media de esta partícula.

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos).

Resolver este «rompecabezas de la vida media del neutrón» no solo supone una cuestión de orgullo para nuestro gremio, el de los físicos experimentales, sino que resulta también vital para comprender mejor las leyes físicas. La desintegración del neutrón constituye uno de los procesos más sencillos en los que interviene la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Para entenderla por completo, hemos de saber cuánto tarda un neutrón aislado en desintegrarse. Por otro lado, la vida media del neutrón condicionó cómo se formaron los elementos químicos más ligeros después de la gran explosión que dio origen a nuestro universo. A los cosmólogos les gustaría poder calcular las abundancias esperadas de los distintos elementos y contrastarlas con los datos obtenidos por los astrofísicos. Un acuerdo apuntalaría nuestras teorías cosmológicas, mientras que una discrepancia indicaría la existencia de fenómenos físicos aún por descubrir. Pero, para poder llevar a cabo dicha comparación, hemos de conocer con exactitud cuánto vive un neutrón antes de desintegrarse.

Hace más de diez años, dos grupos experimentales, uno en Francia y otro en EE.UU., intentaron medir con precisión la vida media del neutrón. Uno de nosotros (Geltenbort) pertenecía al primer equipo, mientras que el otro (Greene) trabajaba en el segundo. Con sorpresa y cierta inquietud, comprobamos que nuestros resultados diferían de manera considerable. Algunos teóricos sugirieron que la discrepancia podría deberse a fenómenos físicos exóticos, como que parte de los neutrones se hubiesen desintegrado en partículas nunca antes observadas. Nosotros, sin embargo, achacamos la diferencia a una razón mucho más mundana: uno de los grupos —o ambos— tenía que haber cometido algún error o sobreestimado la precisión de sus resultados.

Hace poco, el equipo estadounidense completó un largo y concienzudo proyecto para estudiar la principal fuente de error que afectaba a sus mediciones. Lejos de zanjar la cuestión, sus esfuerzos solo confirmaron los resultados previos. Al mismo tiempo, otros investigadores verificaron los resultados del grupo de Geltenbort. Esta discrepancia nos ha dejado más perplejos de lo que ya estábamos, pero no hemos abandonado. Por el momento, ambos equipos y otros físicos experimentales seguimos buscando una respuesta.

CRONOMETRAR NEUTRONES

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos)

En teoría, determinar la vida media del neutrón es sencillo. Entendemos bien la física del proceso y disponemos de las herramientas adecuadas para estudiarlo. Sabemos que, siempre que una partícula pueda desintegrarse en otras de menor masa, acabará haciéndolo si en el proceso se conservan ciertas propiedades, como la carga eléctrica o el espín. En la llamada desintegración beta, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino. Las masas de estas tres partículas suman algo menos que la masa del neutrón, pero la carga y el espín totales permanecen idénticos. Entre las cantidades conservadas se incluye la suma de masa y energía, por lo que las tres partículas finales incorporan esa pequeña diferencia de masa en forma de energía cinética.”

Nota: El artículo me ha sido enviado por Don José Gómez, un contertulio y visitante de ésta página que, con buen criterio, apunta que en cuanto a esas diferencias, las pruebas deben ser repetidas en distintos lugares y, si es posible, por distintos científicos también, ya que, en física de partícula, los resultados de un experimento, debe coincidir sin fisuras.

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En el campo de la física de partículas, una de las preguntas más intrigantes a día de hoy es por qué existen exactamente seis tipos de quarks, distribuidos en tres generaciones. Déjame que te explique por qué. Toda la materia visible en el universo, desde una manzana o un coche hasta una estrella o una nebulosa, se compone de la combinación de tres partículas, que forman parte de lo que conocemos como la primera generación: quarks up y down, y electrones. Los quarks up y down se combinan en tríos para formar los protones y neutrones que constituyen los núcleos de los átomos y los electrones suelen estar orbitando alrededor de dichos núcleos.

Los electrones y sus correspondientes neutrinos

Además de estas partículas tenemos también los neutrinos, que completarían la primera generación de leptones (que contiene a electrones y neutrinos). Pues bien, a pesar de que de forma “natural” la materia esté formada solo por estas partículas, desde mediados del siglo XX empezamos a descubrir otras partículas con propiedades idénticas a estas cuatro, pero masas mucho mayores. De hecho las propiedades parecían repetirse por grupos. Es decir, había 4 partículas que se parecían a las nombradas, con una masa superior y luego otras cuatro que eran todavía más masivas que las anteriores.

Podríamos decir que la familia de los quarks o de los leptones tiene tres generaciones. La primera generación forma la materia estable del universo. Las partículas de la segunda y tercera generación son inestables y decaen rápidamente en partículas de la primera generación. A pesar de su inestabilidad y su rareza en lo cotidiano, estas partículas se pueden crear en los aceleradores de partículas para estudiarlas en un entorno más controlado, aunque para ello se requieren altas energías. El muón es la partícula idéntica al electrón de la segunda generación y el tauón es la partícula correspondiente de la tercera generación. Estas partículas tienen masas de cientos y miles de veces, respectivamente, la masa del electrón. Eso significa que crearlas en un acelerador de partículas será proporcionalmente más improbable.

 

Sin embargo, surge una pregunta fundamental: ¿por qué existen estas generaciones de materia y por qué son tres? Esta es una cuestión sin respuesta en la física teórica actual. La existencia de estas generaciones adicionales de partículas sugiere la posibilidad de que haya todavía más quarks y leptones aún por descubrir, o incluso plantea la hipótesis de que los quarks y leptones no sean fundamentales, sino que estén compuestos de partículas aún más elementales y que las generaciones de partículas surjan de alguna propiedad de esas partículas hipotéticas.

 

 

‘Cascada’, de Yunchul Kim (2018), creada a base de fluidos amorfos y muones que puede verse en el CCCB dentro de la exposición Cuántica. Massimiliano Minocri.

Hasta que el hombre encontró una explicación científica a fenómenos naturales como llover, rayos y terremotos, todo era voluntad divina. La ciencia nació en el momento en el que el hombre necesitó conocer el porqué de todo lo que acontecía a su alrededor, desvinculado con los dioses. La ciencia, de todas formas, está en su fase inicial, y la cuántica, una de las disciplinas más complejas que estudia las partículas fundamentales y pequeñas de la materia, ocultas a nuestros sentidos, como son los átomos, protones, cuantos de luz y fotones de energía, no ha hecho nada más que comenzar.

 

 

“De hecho, de las 50.000 generaciones de homo sapiens, solo tres han convivido con ella”, explica el catedrático José Ignacio Latorre, uno de los comisarios (junto a Mónica Bello, directora del Arts at CERN) de la exposición Cuánticaque abre sus puertas en el CCCB hasta el 24 de septiembre, para divulgar esta disciplina nacida tímidamente a comienzos del siglo XX, pero que hoy está presente en nuestras vidas más de lo que somos conscientes. Desde los primeros transistores de los años cuarenta, hasta la tecnología láser, los GPS, los relojes atómicos y las resonancias magnéticas. Unas partículas que hasta hace muy poco nadie podía ni imaginar, pero que ahora todos quieren controlar.

     Esta disciplina estudia las partículas más pequeñas y ocultas

Como en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) de Ginebra, uno de los centros de investigación más importante del mundo, que ha invitado a artistas para residir en sus instalaciones y establecer un diálogo con ingenieros y físicos. Fruto de este encuentro son 10 de las propuestas que pueden verse en el CCCB que dejan claro que la física cuántica va más allá del dominio de la ciencia y cómo las prácticas artísticas pueden ayudar a comprender la ciencia.

Parte de un telescopio de San Roque de los Muchachos (La Palma) para buscar partículas del cosmos. 

“Los mecanismos de la física cuántica contradicen nuestra experiencia de la realidad a escala humana”, recuerda Judit Carrera, directora del CCCB, que valora muy positivamente acoger esta exposición, que tras Liverpool viajará a Bruselas y Nantes.

Entre las obras expuestas, Supralunar, un acercamiento poético a la materia oscura que está detrás de la formación de las galaxias, de Juan Cortés; Choque cósmico, de Lea Porsager que invita a observar con gafas 3D los neutrinos, unas de las partículas más presentes en el Universo; Estado de pecado, de James Bridle, que explora la pertinencia del azar para preservar la diversidad o La teoría holográfica del universo de la historia del arte, de Suzanne Treister en la que proyecta más de 25.000 imágenes cronológicas (25 por segundo) de obras de arte creadas por la humanidad, que remite, visualmente, a la velocidad de las partículas del CERN.

Estas propuestas pueden verse de forma paralela a otras tantas “estaciones” que introducen y divulgan la investigación en el laboratorio y muestran como la física cuántica representa una ruptura con siglos de conceptos científicos y filosóficos. Lo hace a partir de conceptos como el de escala, estado cuántico, superposición, entrelazamiento (que permite mandar partículas de luz desde un satélite a varios continentes a la vez), indeterminación (en la cuántica es imposible medirlo todo con certeza), ciencia abierta (donde se explica como el trabajo científico siempre ha sido una tarea colectiva y para todos: como el Genoma Humano, el propio CERN o la Red Informática mundial, WWW, que usamos todos de forma abierta en internet).

Vida cotidiana

También se abordan los conceptos de Azar y la Cuántica cotidiana, con una enorme pantalla en la que se proyecta una espléndida animación de Alex Pasad y MID Studio. La exposición se cierra con un mapamundi donde están los 70 grupos científicos que trabajan para conseguir el primer ordenador cuántico. “Es una barbaridad intelectual, pero al mismo tiempo una amenaza a las comunicaciones de la Tierra, incluidos mensajes y correos encriptados. La ciencia es poder. Ocurrió cuando se inventó el fuego e Internet”, explicó Latorre.

La diferencia entre el método científico basado en el método de prueba y error y el de la física cuántica (y el cambio que se avecina) se ilustra con el ejemplo de que según la física clásica de Newton, para abrir con éxito una cerradura con una llave que está junto a un millón de llaves, hay que probar una a una. Con la cuántica se crea una superposición de llaves y se prueban todas a la vez. Esta es la base de los nuevos ordenadores cuánticos. Quién consiga sacarlo adelante tendrá la llave y el poder.

Fuente diversa

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“Hace unos días, cerca de Cessy (Francia), una mujer paseaba con su perro ajena a lo que se cocía bajo sus pies. Era un entorno idílico. Campos verdes con nieve en las umbrías, granjas de vacas y los Alpes recortados en el horizonte. Mientras, a 100 metros bajo tierra, cientos de operarios, ingenieros y físicos hacían los últimos ajustes para encender la mayor máquina del mundo, capaz de reproducir lo que pasó en el universo poco después del Big Bang.

 

      Vista lateral del experimento CMS, uno de los mayores del CERN

Por aquel entonces se decía:

“El Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, en la frontera entre Francia y Suiza, volverá a funcionar a finales de mes de Abril de 2015. Los físicos llaman a estas puestas en marcha runs. En la primera ya se consiguió todo un récord mundial con el descubrimiento del bosón de Higgs. Lo que depara esta segunda, que durará hasta 2018, no lo sabe nadie. Tras un tiempo de reparación y acondicionamiento el acelerador va a funcionar al doble de potencia y cruzará una frontera de la física nunca antes traspasada. ¡Veremos que nos encontramos! Incluso podría ser alguna sorpresa ¿desagradable?

El Large Hadron Collider (LHC) que hace tres años nos sorprendía con la confirmación de la existencia del bosón de Higgs, Después de aquello volvió a tener una parada para revisiones y pronto los protones volverán a circular por este túnel de 27 kilómetros de longitud, preparados para ofrecernos nuevos hallazgos científicos. Bueno, eso dicen los del LHC que se empeñan en buscar partículas de materia oscura que llaman WIMPs, cuando no sa sabe ni si la “materia oscura” existe en realidad. Es toda una paradoja el que una maquinaria tan enormemente grande que dispone de tan descomunal energía, se disponga a realizar experimentos en busca de la “nada”, ya que, lo cierto es que no saben ni si encontraran alguna cosa.”

     Nuevos detectores nos darán mucha más información

Este último parón ha servido para que los ingenieros a cargo del CERN hayan realizado importantes mejoras en esta estructura, y pronto funcionará con el doble de energía de lo que lo había hecho en el pasado ciclo de experimentos. De momento el LHC está “calentando motores”, y las colisiones no comenzarán a tener lugar hasta dentro de cuatro meses.

Los protones que se están inyectando ya en ese particular circuito lo están haciendo a una energía relativamente pequeña, pero en los próximos meses los ingenieros esperan ir incrementando la energía y hacer que esta llegue a los 13 teraelectronvoltios (TeV). Al incrementar el número de protones aumentará el número de colisiones y la temperatura, y a finales de Abril de 2.016 se espera que la energía de las partículas que circulen en el interior del LHC alcance su pico.

El descubrimiento del bosón de Higgs fue crucial para “completar” la formulación del modelo estándar de la física de partículas, pero dicha teoría está aún incompleta, y otra teoría llamada supersimetría sugiere que hay una partícula aún no descubierta que acompaña a cada una de las existentes en el modelo estándar. Estas son algunas de las partículas que los científicos esperan detectar en la nueva ronda de experimentos, y sobre todas ellas destaca la partícula de materia oscura, que según los físicos constituye el 26% del universo.

Datos de mayo de 2004. La zona verde representa el resultado del experimento DAMA, en comparación con los límites de precisión de los experimentos CDMS y EDELWEISS.

“El CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), situado en la mina Soudan (Minnesota, Estados Unidos), utiliza una técnica basada en el almacenamiento de cristales de germanio y silicio a una temperatura muy fría. Los cristales, que tienen un tamaño similar al de un disco de hockey, son enfriados a la temperatura de 50 milikelvin (0,05 K). Esta temperatura tan cercana al cero absoluto hace que los átomos del cristal vibren muy lentamente, por lo que, si cualquier WIMP impactara contra un átomo del cristal, se produciría una onda de sonido, pues el átomo que recibe el impacto desplaza en su vibración a los átomos de su alrededor, tarea de la que se encarga una capa de metal (aluminio y tungsteno). Este tungsteno se encuentra a una temperatura crítica, por lo que ejerce de superconductor, y las vibraciones que se generan en el cristal calientan la capa de metal, que se detecta a través del cambio en la resistencia del mismo.”

Sí los WIMPS han sido buscados por muchos y de muchas maneras pero, sin encontrarlos hasta el momento y en ello está empeñado el LHC que cuenta con más potencia que otros experimentos.

los WIMPs, si finalmente resultan ser las partículas responsables de la “materia oscura” no bariónica ( si es que realmente existen), deberían tener propiedades muy concretas al hacer “imposible” o “difícil” que no podamos verla a pesar de que conforma una gran parte de la masa del Universo, no interacciona mediante la fuerza electromagnética, lo que nos lleva a pensar que son neutras y, sin embargo, sí parece que emitan fuerza gravitatoria… ¡Es todo tan raro!

En física, el consenso científico es que la materia oscura existe con una certeza del 100% (Bueno, yo no entro en ese 100 x 100 y soy muy exeptico en cuanto a la existencia de materia oscura a la que se agarran los cosmólogos como el ahogado a un clavo ardiendo, ya que, no saben, por qué las galaxias se alejan unas de otras a tanta velocidad y lo mismo las estrellas en las galaxias, y, la explicación más fácil para ellos… ¡la materia oscura”. Sabemos que interacciona muy poco con la materia ordinaria, por ello detectarla es extremadamente difícil, pero la estamos buscando con ahínco y tesón en un rango de 90 órdenes de magnitud. Has leído bien, buscamos una partícula con una masa entre los yocto-gramos y los yotta-gramos. La hemos descartado en muchos lugares, pero hay muchos otros en los que aún podría esconderse.

yotta-gramos

Uno de los grandes objetivos del LHC Run 2 es buscar una partícula candidata a la materia oscura si es que hay alguna que esté a su alcance. No sabemos si está a su alcance. Pero no perdemos la esperanza de que la encuentre.

 

“La materia oscura es un corpúsculo (si es macroscópico) o una partícula (si es microscópica) neutro (para la carga eléctrica y para la carga de color), que tiene una vida media muy larga y que interacciona débilmente con la materia ordinaria, quizás sólo gracias al bosón de Higgs. Uno de los objetivos del LHC Run 2 es explorar la búsqueda de una partícula de materia oscura en un pequeño rango de energías (la escala débil entre cientos y miles de GeV). Nos gusta creer que hay muchas razones físicas por las cuales debería esconderse en dicha escala. Pero la Naturaleza es sutil, aunque no perversa. Igual que el borracho que ha perdido sus llaves al entrar en casa de noche las busca debajo de la farola, donde hay luz, aunque esté a unos metros de distancia, buscamos la partícula donde podemos hacerlo. Y nuestra esperanza es encontrarla, pero si no la encontramos allí, como somos tercos, seguiremos buscándola.”

 

 

Como veréis, estos hablan de las partículas y de la materia oscura como si fueran objetos familiares con los que estamos a diario interaccionando, cuando en realidad, todo son hipótesis y creencias asentadas a través de indicios y conexiones “lógico-mentales” que no sabemos, aún, si van en la buena dirección.

¡Ya veremos que pasa! Me gustaría que acertaran y aparecieran los dichos WIMPs, confirmando todas esas teorías, así podríamos comenzar la búsqueda de otras partículas que, como el Gravitón, están por ahí perdidas y tampoco podemos encontrarla.

Como tantas veces he referido en otras ocasiones, cuando se habla de la “materia oscura”, me viene a la memoria lo que dijo aquel Físico  premio Nobel que era de Holanda:

“La Materia Oscura es la alfombra bajo la cual, los cosmólogos barren su ignorancia”.

¡Partículas de la “materia oscura”! ¿Dónde?

Emilio Silvera Vázquez

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