Somos parte del Universo ¡La que piensa!

Teoría de la Eva mitocondrial o “Eva Negra”

Me ha venido a la memoria una noticia que leí, no hace tanto tiempo, en un Boletin de la RSEF, se refería a nuevas y ambiciosas iniciativas en el campo de la Física para tratar de recrear los primeros instantes del Universo, y, sobre todo, de desvelar los secretos que esconde la materia que según parece y a pesar de los muchos avances conseguidos… ¡Aún no conocemos!

La Noticia, que retumbó en todos los medios,  decía:›

“Europa construirá un acelerador tres veces mayor que el LHC.  Aunque el LHC seguirá funcionando por lo menos durante dos décadas más, Europa ya empieza a pensar en su sucesor: un enorme colisionador con una circunferencia de 100 km (frente a los 27 del LHC) y capaz de alcanzar una energía de 100 TeV, siete veces superior a los 14 TeV a los que puede llegar, como máximo, el LHC. Tras alcanzar el hito de detectar el bosón de Higgs.

 

 

 

 

El Modelo Estándar incluye a todos los componentes fundamentales de la materia ordinaria pero no dice nada de la materia oscura ni de la energía oscura. “Tenemos muchas esperanzas de que el LHC en esta nueva etapa a su máximo nivel de energía pueda tener un primer atisbo de lo que es la materia oscura. Y a partir de ahí determinar los objetivos del próximo gran colisionador”, dijo Heuer, Director del CERN.”

 

 

“En física, el consenso científico es que la materia oscura existe con una certeza del 100%. 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 yoctogramos y los yottagramos. La hemos descartado en muchos lugares, pero hay muchos otros en los que aún podría esconderse.”

 

 

 

“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. Te recomiendo leer al físico y optimista Matt Strassler, “Dark Matter: How Could the Large Hadron Collider Discover It?,” Of Particular Significance, 13 April 2015; “More on Dark Matter and the Large Hadron Collider,” OPS, 15 April 2015.”

 

 

 

“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.”

 

 

 

“La ciencia no es una labor fácil. Si lo fuera no sería una labor apasionante. Llevamos buscando la partícula de materia oscura muy poco tiempo (desde 1985 más o menos). Treinta años parece mucho tiempo, pero es muy poco en ciencia. Todavía nos quedan unos diez años de trabajo como mínimo para explorar el hueco que nos queda hasta que tengamos que preocuparnos por los neutrinos en las búsquedas directas de la materia oscura. Si no encontramos la partícula responsable de la materia oscura en 2030 habrá que superar dicho límite y buscar más allá. Una búsqueda muchísimo más difícil. Pero el tesón de los físicos, el trabajo de miles de personas en pro del conocimiento, acabará dando caza a la partícula. Se esconda donde se esconda acabaremos dando con ella. Quizás sea necesario un siglo.”

“El descubrimiento de la partícula responsable de la materia oscura será uno de los grandes descubrimientos del siglo XXI. Deseo que se logre durante mi vida… pero ya se sabe que a la Naturaleza le importa un comino mi existencia. Queda mucho por explorar y queda mucho esfuerzo por realizar. ¡La ciencia es pura pasión! ¡Disfrutemos de la ciencia!”

 

 

Ya avanzado el año 2.015, y el LHC ha comenzado sus actividades  a mayor energía para tratar de buscar esa dichosa “materia oscura” de la que todo el mundo habla y de la que nadie sabe decir, a ciencia cierta, de qué está hecha, cómo surgío, por qué no emite radiación y sí gravedad…

Está bien que no dejemos de avanzar y sigamos buscando aquello que desconocemos. La Naturaleza esconde muchos secretos que tratamos de desvelar  y, la hipotética “materia oscura” es uno de ellos. Hablamos y hablamos sobre algo que no sabemos si en realidad será. Tampoco sabemos de que pueda estar conformada, de dónde surgió y por qué, y,  si emite o genera fuerza gravitatoria por qué no emite radiación. En fin, un misterio que sería bueno resolver. Está claro que algo debe haber, una especie de “sustancia cósmica” que impregna todo el Espacio, es la única manera de explicarse como pudieron formarse las galaxias.

¡100 TeV! ¡100 Km de diámetro!

Si cuando se acercaba la hora de puesta en marcha del LHC salieron múltiples organizaciones planteando protestas de todo tipo, incluso alguna se atrevió a decir que el Acelerador tenía tanta energía que crearía un agujero negro que se tragaría a la Tierra. ¿Qué dirán ahora del fututo Acelerador? Seguramente, habrá mucha más algarabía, protestas y un sin fin de manifestaciones de todo tipo. Sin embargo, el futuro… ¡Es imparable!

En cuanto a la “materia oscura”, no puedo negar que algo parecido debe existir, de otra manera no llego a comprender como podrían haberse podido llegar a formarse las galaxias a pesar de la expansión de Hubble. ¡Algo tuvo que retener la materia que las conforma! Una fuerza de Gravedad que, si no era de esa dichosa “materia” entonces ¿de qué podría ser?

Mi abuelo tiene un cordero

Dice que lo va a matar

Del pellejo hará un pandero

Lo que sea sonará

emilio silvera

Ahora, hablaremos de la vida media de las partículas elementales (algunas no tanto). Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida media, una partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

También podríamos utilizar el concepto de “semivida”. Si tenemos un gran número de partículas idénticas, la semivida es el tiempo que tardan en desintegrarse la mitad de ese grupo de partículas. La semivida es 0,693 veces la vida media.

Si miramos una tabla de las partículas más conocidas y familiares (fotón, electrón muón tau, la serie de neutrinos, los mesones con sus piones, kaones, etc., y, los Hadrones bariones como el protón, neutrón, lambda, sigma, psi y omega, en la que nos expliquen sus propiedades de masa, carga, espín, vida media (en segundos) y sus principales maneras de desintegración, veríamos como difieren las unas de las otras.

Algunas partículas tienen una vida media mucho más larga que otras. De hecho, la vida media difiere enormemente. Un neutrón por ejemplo, vive 10¹³ veces más que una partícula Sigma⁺, y ésta tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma cero. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico-cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10ˉ²⁴ segundos, se puede decir con seguridad que todas las partículas son bastantes estables. En la jerga profesional de los físicos dicen que son “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida media de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide electrónicamente su desintegración. Las partículas comprendidas entre 10ˉ¹⁰ y 10ˉ⁸ segundos solían registrarse con una cámara de burbujas, pero actualmente se utiliza con más frecuencia la cámara de chispas. Una partícula que se mueve a través de una cámara de burbujas deja un rastro de pequeñas burbujas que puede ser fotografiado. La Cámara de chispas contiene varios grupos de de un gran número de alambres finos entrecruzados entre los que se aplica un alto voltaje. Una partícula cargada que pasa cerca de los cables produce una serie de descargas (chispas) que son registradas electrónicamente. La ventaja de esta técnica respecto a la cámara de burbujas es que la señal se puede enviar directamente a una computadora que la registra de manera muy exacta.

Una partícula eléctricamente neutra nunca deja una traza directamente, pero si sufre algún tipo de interacción que involucre partículas cargadas (bien porque colisionen con un átomo en el detector o porque se desintegren en otras partículas), entonces desde luego que pueden ser registradas. Además, realmente se coloca el aparato entre los polos de un fuerte imán. Esto hace que la trayectoria de las partículas se curve y de aquí se puede medir la velocidad de las partículas. Sin embargo, como la curva también depende de la masa de la partícula, es conveniente a veces medir también la velocidad de una forma diferente.

Una colisión entre un protón y un antiprotón registrada mediante una cámara de chispas del experimento UA5 del CERN.

En un experimento de altas energías, la mayoría de las partículas no se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz. Durante su carta vida pueden llegar a viajar algunos centímetros y a partir de la longitud media de sus trazas se puede calcular su vida. Aunque las vidas comprendidas entre 10ˉ¹³ y 10ˉ²⁰ segundos son muy difíciles de medir directamente, se pueden determinar indirectamente midiendo las fuerzas por las que las partículas se pueden transformar en otras. Estas fuerzas son las responsables de la desintegración y, por lo tanto, conociéndolas se puede calcular la vida de las partículas, Así, con una pericia ilimitada los experimentadores han desarrollado todo un arsenal de técnicas para deducir hasta donde sea posible todas las propiedades de las partículas. En algunos de estos procedimientos ha sido extremadamente difícil alcanzar una precisión alta. Y, los datos y números que actualmente tenemos de cada una de las partículas conocidas, son los resultados acumulados durante muchísimos años de medidas  experimentales y de esa manera, se puede presentar una información que, si se valorara en horas de trabajo y coste de los proyectos, alcanzaría un precio descomunal pero, esa era, la única manera de ir conociendo las propiedades de los pequeños componentes de la materia.

Que la mayoría de las partículas tenga una vida media de 10ˉ⁸ segundos significa que son ¡extremadamente estables! La función de onda interna oscila más de 10²² veces/segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10ˉ⁸ x 10²², que es 1¹⁴ o 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera. Podemos decir con toda la seguridad que la interacción responsable de tal desintegración es extremadamente débil.

Se habla de ondas cuánticas y también, de ondas gravitacionales. Las primeras han sido localizadas y las segundas están siendo perseguidas.

Aunque la vida de un neutrón sea mucho más larga (en promedio un cuarto de hora), su desintegración también se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos atómicos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según  la bien conocida fórmula de Einstein E = Mc². Una desintegración sólo puede tener lugar si la masa total de todos los productos resultantes es menor que la masa de la partícula original. La diferencia entre ambas masas se invierte en energía de movimiento. Si la diferencia es grande, el proceso puede producirse muy rápidamente, pero a menudo la diferencia es tan pequeña que la desintegración puede durar minutos o incluso millones de años. Así, lo que determina la velocidad con la que las partículas se desintegran no es sólo la intensidad de la fuerza, sino también la cantidad de energía disponible.

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas serían perfectamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π°, η y Σ° es la electromagnética. Se observará que estas partículas tienen una vida media mucho más corta, aparentemente, la interacción electromagnética es mucho más fuerte que la interacción débil.

Durante la década de 1950 y 1960 aparecieron tal enjambre de partículas que dio lugar a esa famosa anécdota de Fermi cuando dijo: “Si llego a adivinar esto me hubiera dedicado a la botánica.”

Si la vida de una partícula  es tan corta como 10ˉ²³ segundos, el proceso de desintegración tiene un efecto en la energía necesaria para producir las partículas ante de que se desintegre. Para explicar esto, comparemos la partícula con un diapasón que vibra en un determinado modo. Si la “fuerza de fricción” que tiende a eliminar este modo de vibración es fuerte, ésta puede afectar a la forma en la que el diapasón oscila, porque la altura, o la frecuencia de oscilación, está peor definida. Para una partícula elemental, esta frecuencia corresponde a su energía. El diapasón resonará con menor precisión; se ensancha su curva de resonancia. Dado que para esas partículas extremadamente inestable se miden curvas parecidas, a medida se las denomina resonancias. Sus vidas medias se pueden deducir directamente de la forma de sus curvas de resonancia.

Bariones Delta. Un ejemplo típico de una resonancia es la delta (∆), de la cual hay cuatro especies ∆ˉ, ∆⁰, ∆⁺ y ∆⁺⁺(esta última tiene doble carga eléctrica). Las masas de las deltas son casi iguales 1.230 MeV. Se desintegran por la interacción fuerte en un protón o un neutrón y un pión.

Existen tanto resonancias mesónicas como bariónicas . Las resonancias deltas son bariónicas. Las resonancias deltas son bariónicas. (También están las resonancias mesónicas rho, P).

Las resonancias parecen ser solamente una especie de versión excitada de los Hadrones estable. Son réplicas que rotan más rápidamente de lo normal o que vibran de diferente manera. Análogamente a lo que sucede cuando golpeamos un gong, que emite sonido mientras pierde energía hasta que finalmente cesa de vibrar, una resonancia termina su existencia emitiendo piones, según se transforma en una forma más estable de materia.

Por ejemplo, la desintegración de una resonancia ∆ (delta) que se desintegra por una interacción fuerte en un protón o neutrón y un pión, por ejemplo:

∆⁺⁺→р + π⁺;  ∆⁰→р + πˉ; o п+π⁰

En la desintegración de un neutrón, el exceso de energía-masa es sólo 0,7 MeV, que se puede invertir en poner en movimiento un protón, un electrón y un neutrino. Un Núcleo radiactivo generalmente tiene mucha menos energía a su disposición.

El estudio de los componentes de la materia tiene una larga historia en su haber, y, muchos son los logros conseguidos y muchos más los que nos quedan por conseguir, ya que, nuestros conocimientos de la masa y de la energía (aunque nos parezca lo contrario), son aún bastante limitados, nos queda mucho por descubrir antes de que podamos decir que dominamos la materia y sabemos de todos sus componentes. Antes de que eso llegue, tendremos que conocer, en profundidad, el verdadero origen de la Luz que esconde muchos secretos que tendremos que desvelar.

Esperemos que con los futuros experimentos del LHC y de los grandes Aceleradores de partículas del futuro,  se nos aclaren algo las cosas y podamos avanzar en el perfeccionamiento del Modelo Estándar de la Física de Partículas que, como todos sabemos es un Modelo incompleto que no contiene a todas las fuerzas de la Naturaleza y, cerca de una veintena de sus parámetros son aleatorios y no han sido explicados. Uno de ellos era el Bosón de Higgs que pudo ser confirmado. Sin embargo, a mí particularmente me quedan muchas dudas al respecto.

emilio silvera