Tratamos de alcanzar un nuevo Modelo más allá del Estandart

Ince dimensiones

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Me refiero al Modelo estándar y, algunos han llegado a creer que sólo faltan algunos detalles técnicos y, con ellos, la física teórica está acabada. Tenemos un modelo que engloba todo lo que deseamos saber acerca de nuestro mundo físico. ¿Qué más podemos desear?

Bueno, lo que hasta el momento hemos logrado no está mal del todo pero, no llega, ni con mucho, a la perfección que la Naturaleza refleja y que, nosotros perseguimos sin llegar a poder agarrar sus múltiples entresijos y parámetros que conforman ese todo en el que, sin ninguna clase de excusas, todo debe encajar y, de momento, no es así.

Es cierto que, el Modelo estándar, es casi perfecto (en algunos momentos), pero no permanentemente perfecto. En primer lugar, podríamos empezar a quejarnos de las casi veinte constantes que no se pueden calcular. Pero si esta fuese la única queja, habría poco que hacer. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de estos números y se han propuesto varias teorías para “predecir” sus valores. El problema con todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca llegan a ser 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 proncipio de la relatividad, pero nos resistimos a abandonar todos los demás principios que ya conocemos; ¡esos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del Modelo estándar! una herramienta que posibilitado a todos los físicos del mundo, construir sus trabajos en ese fascinante mundo de la mecánica cuántica, donde partículas infinitesimales interactúan con las fuerzas y podemos ver, como se comporta la materia en determinadas circunstancias. El mejor lugar para buscar nuevos principios es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría.

La regla universal en la física de partículas es que cuando las partículas chocan con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez menores, más pequeñas en el espacio y en el tiempo. Supongamos por un momento que tenemos a nuestra disposición un Acelerador de Partículas 10.000 veces más potente que el LHC, donde las partículas pueden adquirir esas tantas veces más energías de las alcanzadas actualmente. Las colisiones que tendrían lugar nos dirían algo acerca de los detalles estructurales de esas partículas que ahora no conocemos, que serían mucho más pequeños que los que ahora podemos contemplar. En este punto se me ocurre la pregunta: ¿Seguiría siendo correcto el Modelo estándar? 0, por el contrario, a medida que nos alejemos en las profundidades de lo muy pequeño, también sus normas podrían variar al mismo tiempo que varían las dimensiones de los productos hallados. Recordad que, el mundo no funciona de la misma manera ante lo grande que ante lo infinitesimal.

 El LHC cuando se puso en marcha, tardó menos de un mes en localizar el ‘bosón W’, que durante mucho tiempo estaba siendo perseguido por todos los físicos del mundo. Hacía falta un inmenso conglomerado de energía para llegar hasta él.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), de la Organización Europea de Física Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés), ha obtenido en apenas un mes de funcionamiento los primeros resultados “espectaculares” en su investigación, el ‘bosón W’, que hasta ahora los científicos tardaban meses en conseguir.

     De momento sólo se han utilizado 14 TeV y próximamente se llegará a los 100

¿Podéis imaginar conseguir colisiones a 70.000 TeV? ¿Qué podrías ver? Y, entonces, seguramente, las protestas de algunas de que “ese monstruo” podría abrir un agujero de gusano en el espacio tiempo…¡tendría algún fundamento! No sabemos lo que puede pasar si andamos con fuerzas que no podemos dominar.

Hoy, el Modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aun más pequeñas. Pero tenemos algunas razones para sospechar que tales predicciones resultan estar muy alejadas de la realidad, o, incluso, ser completamente falsas.

Encendamos nuestro super-microscopio imaginario y enfoquémoslo directamente en el centro de un protón o de cualquier otra partícula. Veremos hordas de partículas fundamentales desnudas pululando. Vistas a través del supermicroscopio, el modelo estándar que contiene veinte constantes naturales, describen las fuerzas que rigen la forma en que se mueven. Sin embargo, ahora esas fuerzas no sólo son bastante fuertes sino que también se cancelan entre ellas de una forma muy especial; están ajustadas para conspirar de tal manera que las partículas se comportan como partículas ordinarias cuando se vuelven a colocar el microscopio en la escala de ampliación ordinaria. Si en nuestras ecuaciones matemáticas cualquiera de estas constantes fueran reemplazadas por un número ligeramente diferente, la mayoría de las partículas obtendrían inmediatamente masas comparables a las gigantescas energías que son relevantes en el dominio de las muy altas energías. El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural.

¿Implica el ajuste fino un diseño con propósito? Hay tantos parámetros que deben tener un ajuste fino y el grado de ajuste fino es tan alto, que no parece posible ninguna otra conclusión.

Bueno, quizá en la imagen y el comentario que lleva abajo, me he podido pasar un poco. Lo que antes decía: “El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural”, es lo que se llama el “problema del ajuste fino”. 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 ahí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables, e ellas podrían modificar completamente el mundo que Gulliver planeaba visitar. Si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste fino de las constantes de la Naturaleza, creamos un nuevo problema:

… fuerzas y podemos ver, como se comporta la materia en determinadas circunstancias. El mejor lugar para buscar nuevos principios es precisamente donde se …

¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste-fino no sea necesario? Está claro que las moficiaciones son necesarias , lo que implica que muy probablemente hay un límite más allá del cual ewl modelo deja de ser válido. El Modelo estándar no será más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, tal que todos los fenómenos observados hasta el presente están de acuerdo con él, pero cada vez que ponemos en marcha un aparato más poderoso, debemos esperar que sean necesarias nuevas modificaciones para ir ajustando el modelo, a la realidad que descubrimos.

¿Cómo hemos podido pensar de otra manera? ¿Cómo hemos tenido la “arrogancia” de pensar que podemos tener la teoría “definitiva”? Mirando las cosas de esta manera, nuestro problema ahora puede muy bien ser el opuesto al que plantea la pregunta de dónde acaba el modelo estándar: ¿Cómo puede ser que el modelo estándar funcione tan extraordinariamente bien? y ¿por qué aún no hemos sido capaces de percibir nada parecido a otra generación de partículas y fuerzas que no encajen en el modelo estándar?

                                         Nos quedan muchas cosas por descubrir

Asistentes escuchan la presentación de los resultados del experimento ATLAS, durante el seminario del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) para presentar los resultados de los dos experimentos paralelos que buscan la prueba de la existencia de la “partícula de Higgs”, uno de los 20 parámetros (metidos con calzador en el Modelo) que faltan por hallar para completarlo.

El hallazgo más reciente de una nueva partícula elemental, anunciado en julio de 2022 por el CERN, un nuevo tipo de penta-quark y un par de tetra-quarks,  ambos detectados en el experimento LHCb. Además, a principios de 2025, se teorizó sobre la existencia de un nuevo tipo de partícula elemental llamada para-partícula, que podría redefinir la clasificación de fermiones y bosones. 

                                                 El experimento LHCb

La pregunta “¿Qué hay más allá del Modelo estándar”? ha estado fascinando a los físicos durante años. Y, desde luego, todos sueñan con llegar a saber, qué es lo que realmente es lo que conforma el “mundo” de la materia, qué partículas, cuerdas o briznas vibrantes. En realidad, lo cierto es que, la Física que conocemos no tiene que ser, necesariamente, la verdadera física que conforma el mundo y, sí, la física que conforma “nuestro mundo”, es decir, el mundo al que hemos podido tener acceso hasta el momento y que, no necesariamente tiene que tratarse del mundo real.

O, como decía aquél: ¡Que mundo más hermoso, parece de verdad!

No todo lo que vemos es, necesariamente, un reflejo de la realidad de la Naturaleza que, puede tener escondidos más allá de nuestras percepciones, otros escenarios y otros objetos, a los que, por ahora, no hemos podido acceder, toda vez que, físicamente tenemos carencias, intelectualmente también, y, nuestros conocimientos avanzar despacio para conseguir, nuevas máquinas y tecnologías nuevas que nos posibiliten “ver” lo que ahora nos está “prohibido” y, para ello, como ocurre siempre, necesitamos energías de las que no disponemos.

Hay dos direcciones a lo largo de las cuales se podría extender el Modelo estándar, tal como lo conocemos actualmente, que básicamente se caracterizan así:

– Nuevas partículas raras y nuevas fuerzas extremadamente débiles, y

– nuevas partículas pesadas y nuevas estructuras a muy altas energías.

Esquema simplificado que ilustra la colisión entre dos protones de alta energía y la aparición de partículas de mayor masa que estos tras la colisión.

Podrían existir partículas muy difíciles de producir y de detectar y que, por esa razón, hayan pasado desapercibidas hasta ahora.  La primera partícula adicional en la que podríamos  pensares un neutrino rotando a derecha. Recordaremos que si se toma el eje de rotación paralelo a la dirección del movimiento los neutrinos sólo rotan a izquierdas pero, esa sería otra historia.

En un artículo que no recuerdo donde fue publicado, pude leer:

“Los interferómetros atómicos tienen ahora la sensibilidad para observar nuevas fuerzas más allá del modelo estándar de la física de partículas. Las nuevas fuerzas a corta distancia son una predicción frecuente de las teorías más allá del Modelo Estándar y la búsqueda de estas nuevas fuerzas es un canal prometedor para descubrir una nueva física”, dice Jay Wackerdel Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en California. La pregunta es cómo encontrarlas.”

 

Los neutrinos siempre me han fascinado. Siempre se han manifestado como si tuvieran masa estrictamente nula. Parece como si se movieran exactamente con la velocidad de la luz. Pero hay un límite para la precisión de nuestras medidas. Si los neutrinos fueran muy ligeros, por ejemplo, una cienmillonésima parte de la masa del electrón, seríamos incapaces de detectar en el laboratorio la diferencia entre éstos y los neutrinos de masa estrictamente nula. Pero, para ello, el neutrino tendría que tener una componente de derechas.

En este punto, los astrónomos se unen a la discusión. No es la primera vez, ni será la última, que la astronomía nos proporciona información esencial en relación a las partículas elementales. Por ejemplo, debido a las interacciones de corriente neutra (las interacciones débiles originadas por un intercambio Zº), los neutrinos son un facto crucial en la explosión  supernova de una estrella. Ahora sabemos que debido a las interacciones por corriente neutra, pueden colisionar con las capas exteriores de la estrella y volarlas con una fuerza tremenda.

                                        El Sol emite billones de neutrinos

Desde hace 75 años, los físicos saben que la energía de las estrellas es generada en su núcleo a través de una cadena de reacciones nucleares que convierten hidrógeno en helio, proceso conocido como nucleosíntesis estelar. Sin embargo, las partículas denominadas neutrinos pp, uno de los subproductos principales de la reacción que inicia esa cadena, no habían podido ser detectadas hasta ahora.

En realidad, los neutrinos nos tienen mucho que decir, todavía y, no lo sabemos todo acerca de ellos, sino que, al contrario, son muchos los datos y fenómenos que están y subyacen en ellos de los que no tenemos ni la menor idea que existan o se puedan producir. Nuestra ignorancia es grande, y, sin embargo, no nos arredra hablar y hablar de cuestiones que, la mayoría de las veces…ni comprendemos.

Aquí lo dejaré por hoy, el tema es largo y de una fascinación que te puede llevar a lugares en los que no habías pensado al comenzar a escribir, lugares maravillosos donde reinan objetos exóticos y de fascinante porte que, por su pequeñez, pueden vivir en “mundos” muy diferentes al nuestro en los que, ocurren cosas que nos llevan hacia el asombro y también, a ese mundo mágico de lo fascinante y maravilloso.

Lo que siempre digo y no dejaré de repetir… ¡Sabemos tan poco!

Emilio Silvera V.

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Del artículo Electrón, Protón, Origen Descubierto de nuestro amigo JOSÉ GERMÁN VIDAL PALENCIA. Se trata de un compendio bien hecho que nos habla e muchas cuestiones que nosotros, siempre quisimos saber. Se remonta a los comienzos del Tiempo y están presentes la Materia simple y compleja, las partículas creadoras de todas las cosas que vemos a nuestro alrededor y, también nos habla de las energías y fuerzas que hacen de nuestro Universo el que nosotros conocemos, haciendo posible que nosotros estemos aquí para contarlo. Según nos dice José Germán… entre otras muchas cosas…

                                  Una supergigante

Una supernova

Nucleosíntesis estelar

Una estrella de neutrones

Un púlsar

La radiación de los púlsares

                     Nova, Supernova, Hiper-nova

Zeta Ophiuchi es una estrella con un pasado complicado, ya que probablemente fue expulsada de su lugar de nacimiento por una poderosa explosión estelar. Un nuevo análisis del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA ha proporcionado información sobre la historia de esta estrella fugitiva.

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Leibniz nos decía:

“Todo estado presente de una sustancia simple es naturalmente, una consecuencia de su estado anterior, de modo que se presente está cargado de su futuro”.

 

Y, Marco Aurelio:

“Quien ha visto las cosas presentes ha visto todo, todo lo ocurrido desde la eternidad y todo lo que ocurrirá en el tiempo sin fin; pues todas las cosas son de la misma clase y de la misma forma.”

El primero nos señalaba el camino recorrido por la evolución hasta nuestros días y, señalaba los cambios que el ritmo del universo produciría en todo lo presente que es producto del pasado, lo mismo que el futuro, lo será del presente, es decir, todo es debido a la causalidad. El segundo, más profundo, nos daba a entender que todo está hecho de la misma cosa. Desde una flor hasta una galaxia, todos son Quarks y Leptones.

A finales del siglo XIX, la física experimentó importantes avances que pavimentaron el camino para la física de partículas. El descubrimiento de fenómenos como la radiactividad, la naturaleza corpuscular de la luz y el electrón como partícula fundamental, junto con la postulación del átomo como estructura divisible, marcaron un punto de inflexión. Estos descubrimientos sentaron las bases para la comprensión de la materia a nivel subatómico y el desarrollo de la física cuántica. 

Los finales del siglo XX quizá sean recordados en la historia de la ciencia como la época en que la física de partículas, el estudio de las estructuras más pequeñas de la naturaleza, unió sus fuerzas a la cosmología, el estudio del universo como un todo. Juntas, estas dos disciplinas esbozarían el esquema de la historia cósmica, investigando el pasado de las estructuras naturales en un ámbito de escala enorme, desde los núcleos de los átomos hasta los cúmulos de las galaxias.

Fue un matrimonio apresurado de dos disciplinas muy diferentes. Los cosmólogos tienden a ser solitarios, con la mirada fija en los horizontes lejanos del espacio “infinito” y del tiempo “sin fin”, y acumulan fascinados sus datos que son, en realidad, los hilos de la antigua luz que llegaron de las estrellas lejanas situadas en los confines de ese universo presentido y lejano. Los físicos de partículas, en contraste con ellos, son relativamente gregarios -tienen que serlo, pues ni siquiera un Einstein sabe suficiente física como para hacerlo todo él solo- y físicos: son por tradición transmitida estudiosos del aquí y ahora, inclinados a curvar cosas, volar cosas y desmontar cosas. Los físicos trabajan dura y rápidamente, obsesionados por la leyenda de que es probable que tengan muchas ideas nuevas útiles después de los cuarenta, mientras que los comólogos son más a menudo jugadores de finales, adeptos a las visiones de vasto alcance, de quiénes cabe esperar que realicen investigaciones productivas cuando ya les blanquea el cabello. Si los físicos son los zorros de los que Arquíloco decía que saben muchas cosas, los cosmólogos son más afines a las centenarias tortugas que saben una sola gran cosa.

Sin embargo, a finales de los años setenta, los físicos de partículas se aventuraron a acudir a los seminarios de cosmología a estudiar las galaxias y los quásars, mientras que los cosmólogos alquilaron máquinas del CERN y el Fermilab para trabajar en la física de altas energías en las instalaciones subterráneas desde donde no se veían las estrellas. En 1985 Murray Gell-Mann declaró que “la física de partículas elementales y el estudio del universo primitivo, las dos ramas fundamentales de la ciencia de la naturaleza, se habían fundido esencialmente.”

Su terreno de encuentro fue el Big Bang. Los físicos identificaron simetrías en la naturaleza que hoy están rotas pero que estuvieron intactas en un entorno de altas energías. Los cosmólogos informaron que el universo estuvo antaño en tal estado de alta energía, en las etapas iniciales del Big Bang. Unidas ambas cosas, aparece el cuadro de un universo perfectamente simétrico cuyas simetrías se quebraron a medida que se expandió y se enfrió, creando partículas de materia y energías que encontramos hoy a nuestro alrededor y estampándoles las pruebas de su genealogía. Steven Winberg, un adalid de aquella alianza, describió la teoría electrodébil unificada en términos de su relación con el universo primitivo:

Lo que es tan especial en la teoría electrodébil es que las partículas [portadoras de fuerza] forman una familia estrechamente unida, con cuatro miembros: la W⁺, la W^– de carga opuesta, la Z neutra y el cuarto miembro es nuestro viejo amigo el fotón, portador del electromagnetismo. Son todas hermanas, estrechamente relacionadas por el principio de simetría que dice que son todas la misma cosa, pero que la simetría se ha roto. La simetría está allí, en las ecuaciones subyacentes de la teoría, pero no es evidente en las partículas mismas. Por eso las W y la Z son mucho más pesadas que el fotón.

Estas partículas – las mismas cuya aparición en el acelerador del CERN verificó la teoría electrodébil – son las mediadoras intercambiables en las interacciones de fuerzas electromagnéticas y débiles, lo que las hace indistinguibles.  En ese tiempo, el Universo está gobernando sólo por tres fuerzas: la gravedad, la interacción nuclear fuerte y la electrodébil.

Precisamente eso nos da la pista para creer que hubo un tiempo,  en el pasado, en el universdo muy temprano, en que la temperatura estaba muy por encima de algunos cientos de veces de la masa del protón, cuando la simetría aún no se había roto, y la fuerza débil y la electromagnética no sólo eran la misma matemáticamente, sino realmente la misma. Un físico que hubiera vivido por aquel entonces, lo que es difícil imaginar, no habría visto ninguna diferencia real entre las fuerzas producidas por el intercambio de estas cuatro partículas:

Las W, la Z y el fotón.

Más atrás de ese tiempo nos quedamos en el misterio y envueltos en una gran nebulosa de ignorancia.  Cada uno se despacha a su gusto para lanzar conjeturas y teorizar sobre lo que pudo haber sido.   Seguramente, en el futuro, será la teoría M (de supercuerdas) la que contestará esas preguntas sin respuestas ahora, si por fin, llegamos a ser capaces de verificarla y, si no es así, vendrá alguna otra teoría avanzada que lo hará.

En los 10^-35 de segundo desde el comienzo del tiempo, entramos en un ámbito en el que las condiciones cósmicas son aún menos conocidas.  Si las grandes teorías unificadas son correctas, se produjo una ruptura de la simetría por la que la fuerza electronuclear unificada se escindió en las fuerzas electrodébil y las fuertes.  Si es correcta la teoría de la supersimetría, la transición puede haberse producido antes, había involucrado a la gravitación.

Elaborar una teoría totalmente unificada es tratar de comprender lo que ocurrió en ese tiempo remoto que, según los últimos estudios está situado entre 15.000 y 18.000 millones de años, cuando la perfecta simetría que, se pensaba, caracterizó el Universo, se hizo añicos para dar lugar a los simetrías rotas que hallamos a nuestro alrededor y que nos trajo las fuerzas y constantes Universales que, paradójicamente, hicieron posible nuestra aparición para que ahora, sea posible que, alguien como yo esté contando lo que pasó.

Pero hasta que no tengamos tal teoría no podemos esperar comprender lo que realmente ocurrió en ese Universo primitivo.  Los límites de nuestras conjeturas actuales cuando la edad del Universo sólo es de 10^-43 de segundo, nos da la única respuesta de encontrarnos ante una puerta cerrada.

La Era de Planck y la espuma cuántica

Del otro lado de esa puerta está la época de Planck, un tiempo en que la atracción gravitatoria ejercida por cada partícula era comparable en intensidad a la fuerza nuclear fuerte. Así que, llegados a este punto podemos decir que la clave teórica que podría abrir esa puerta sería una teoría unificada que incluyese la gravitación. La persona que llegue a esa teoría llegará a la mayor profundidad en la contemplación del alba del tiempo.

Pero, eso sí, mientras tanto seguimos produciendo imágenes de todo tipo mediante las cuáles se nos quiere hacer ver que, la materia oscura  está ahí presente, sin embargo, nada de lo que estamos viendo es “materia oscura”  son filamentos de plasma, polvo y gas interestelar, y otros objetos y sustancias que en el Universo se producen mediante la química de la energía de las estrellas presente en esos lugares pero, “materia oscura” me parece que no. Claro que, una cosa no se puede discutir, alguna clase de “materia” o de “fuerza” desconocida (o lo quen sea) estaba allí presente para hacer posible que surgieran las primeras estrellas y galaxias.

Por supuesto, en aquel tiempo primero, no hay moléculas, ni átomos, ni núcleos atómicos, y, a 10-⁶ (0.000001) de segundo después del comienzo del tiempo, tampoco hay neutrones ni protones.  El Universo es un océano de Quarks  libres y otras partículas elementales.

 Si nos tomamos el trabajo de contarlos, hallaremos que por cada mil millones de ant-quarks existen mil millones y un quark.  Esta asimetría es importante.  Los pocos quarks en exceso destinados a sobrevivir a la aniquilación general quark-anti-quark formaran todos los átomos de materia del Universo del último día.  Se desconoce el origen de la desigualdad; presumiblemente obedezca a la ruptura de una simetría materia antimateria en alguna etapa anterior.

Nuestra indicutible ignorancia siempre nos llevó ante muchas puertas cerradas que, de alguna manera misteriosa, pudimos abrir para asombrarnos ante las maravillas que detrás de ellas existen. Hombres y mujeres de nuestra especie han sido capaces de encontrar esas llaves perdidas que posibilitaron abrir aquellas puertas, descorriendo el velo que tapaba y escondía los misterios de la naturaleza.

Creo, en mi enorme ignorancia, que se verán más puertas cerradas. En las que, en lo anto de sus dinteles habrá carteles que digan: Materia Oscura, Singularidad, Agujeros Negros, Multiversos, Fluctuaciones de vacío, Energía de punto cero, teoría luz-luz…y muchas más puertas que nos exigen encontrar las llaves que la puedan abrir para mirar dentro de sus recintos para saber….y, al entrar, ver y comprender sobre todo aquello, con sorpresa veremos que, al fondo y en penumbra, otras puertas con otros letreros nuevos…están esperando allí, para que comencemos de nuevo a buscar las llaves que las abran para mostrarnos sus secretos…Esos puertas cerradas, amigos míos, siempre estarán ahí esperándonos. O, lo que es lo mismo, siempre detrás de un nuevo conocimiento, encontraremos otras nuevas preguntas, otras puertas cerradas que esconderán más saber de cosas que ignoramos.

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 se debe a la interacción nuclear débil, que convierte un neutrón en un protón (desintegración β^–), o viceversa (β⁺), y crea un par leptón–antileptón. Así se conservan los números bariónico(inicialmente 1) y leptónico (inicialmente 0). Debido a la aparente violación al principio de conservación de la energía, estas reacciones propiciaron precisamente que se propusiera la existencia del neutrino. Precisamente de eso hablamos aquí.

Una vez escenificados los conceptos, diremos que, los físicos se vieron durante mucho tiempo turbados por el hecho de que a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para compensar la masa perdida por el núcleo.  En realidad, los electrones no eran igualmente deficitarios.  Emergían con un amplio espectro de energías, y el máximo (conseguido por muy pocos electrones), era casi correcto, pero todos los demás no llegaban a alcanzarlo en mayor o menor grado.  Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas.  En ese caso, ¿Qué era errónea en la emisión de partículas beta? ¿Qué había sucedido con la energía perdida?

En 1.922, Lise Maitner se hizo por primera vez esta pregunta, y, hacia 1.930, Niels Bohr estaba dispuesto a abandonar el gran principio de conservación de la energía, al menos en lo concerniente a partículas subatómicas.  En 1.931, Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida.

La radiación alfa está compuesta por un núcleo de helio y puede ser detenida por una hoja de papel. La radiación beta, compuesta por electrones,  es detenida por una hoja de papel de aluminio. La radiación gamma es absorbida cuando penetra en un material denso

Digamos que la solución de Pauli para explicar la masa perdida, era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida.  Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas.  No poseía carga ni masa.  Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía.  A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.

Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella ciegamente. Y esta certeza se incrementó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y se liberaba un electrón, que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía.  Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de “neutrino”, palabra italiana que significa “pequeño neutro”.

Primera observación de un neutrino en una cámara de burbujas, en 1970 en el Argonne National Laboratory de EE. UU., la observación se realizo gracias a las líneas observadas en la Cámara de burbujas  basada en hidrógeno líquido. Siempre hemos tenido imaginación para idear aparatos que nos ayudaran a desvelar los secretos de la Naturaleza. Más tarde, la cámara de burbujas, fue sustituida por la cámara de chispas.

El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino.  Como ya he comentado otras veces, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiplos de una mitad según la dirección del giro.  Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación de una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede con la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una mitad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión.

Supongamos que la rotación del neutrón sea +½. Y admitamos también que la rotación del protón sea +½ y la del electrón -½, para dar un resultado neto de cero. Demos ahora al neutrino una rotación de +½, y la balanza quedará equilibrada.

+½(n) = +½(p) – ½(e) + ½(neutrino)

Pero aun queda algo por equilibrar.  Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y, si incluimos el neutrino, tres partículas.  Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula.  En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.

El propio neutrino surgiría de la conversación de un protón en un neutrón.  Así, pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza. En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partícula/antipartícula.

Es importante conservar esas leyes puesto que parece estar presentes en toda clase de reacciones nucleares que no impliquen electrones o positrones, y sería muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas.

Las más importantes conversiones protón-neutrón son las relaciones con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros.  Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de esto el 6 u 8 % de su energía.  Pero eso, sería meternos en otra historia y, por mi parte, con la anterior explicación solo trataba de dar una muestra del ingenio del hombre que, como habréis visto, no es poco.

Aunque sólo una cinco mil millonésima de la luz solar llega a la Tierra, ha sido suficiente para dar a esta calor y vida, así como bípedos bastante listos para calcular al detalle su deuda con el Sol que, si pusiera intereses, nunca podríamos pagar.

Desde que puedo recordar, he sido un amante de la Física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite máximo que se puede desplazar cualquier cosa en nuestro Universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa maravilla cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos.  Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible.

            Me gustaría que alguien contestara: ¿Qué es realmente la luz?

Muchos (casi todos) opinan que es algo inmaterial. Los objetos materiales, grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia.  La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial, dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro. Sin embargo, yo que deberíamos profundizar un poco más y, sabiendo que la luz está formada por fiotones, que los fotones son energía, que la energía es un aspecto de la masa… ¿Qué es realmente la luz? Nosotros mismos, el última instancia ¿No seremos luz?

Está claro que los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Cuando la luz entra en un cristal, o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical.  La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell.  No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta e las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma. (Las dos refracciones en la misma dirección se originan por que los dos lados del prisma de se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso en una lámina ordinaria de cristal.)

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada.  Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, y violeta, en este orden. Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores.  La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro” fantasma).

Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades.

Le surgieron y se planteó algunas inquietantes cuestiones. ¿Por qué se refractaban las partículas de luz verde más que los de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbase mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

En 1.678, el físico neerlandés christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar los diversos difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire.  La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción.   Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda mas corta que la luz azul, ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

           Se encuentra la galaxias más lejana nacida después del Big Bang

Gracias a las radiaciones electromagnéticas podemos ver el Universo como fue hace ahora miles de millones de años. Cuando la luz, nos trae la imagen de galaxias situadas a distancias inconmensurables. ¿Quién podría haber pensado, en el pasado, que tal cosa fuese posible?

El ojo humano percibe los colores porque sus células fotorreceptoras (conos) son sensibles a diferentes longitudes de onda dentro del espectro visible, y el cerebro interpreta la combinación de estas señales, interpretando una longitud de onda como azul, otra como verde, y otras como variaciones de rojo, o mezclas de ellas, permitiéndonos ver un vasto abanico de tonos. 

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda.  Y, como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna.  (Las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades.)

Pero la teoría de Huyqhens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos; ni por qué proyectaban sobras recortadas; ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y las ondas marinas.  Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿Cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las Estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?

Así que, la vieja idea de Newton de que la luz estaba formada por partículas, en contra de la teoría ondulatoria de su contemporáneo Huygens corroborada por posteriores experimentos en el siglo XIX y por la teoría electromagnética de Maxwell, volvía a ser vigente en parte. La radiación electromagnética estaba formada por paquetes de energía llamados fotones, tenía una doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular. La doble naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz, hizo pensar al físico francés Louis de Broglie que el resto de partículas podían disfrutar de esa cualidad y estableció que cualquier partícula lleva asociada una onda de longitud igual al cuanto de acción (h) dividido por su masa y por su velocidad (cualquier objeto macroscópico también tiene su onda asociada, pero debido al valor tan pequeño del cuanto de acción su efecto es despreciable). De hecho, cuando se diseña un experimento, dependiendo de las restricciones que se impongan a la partícula se pone de manifiesto su naturaleza ondulatoria o corpuscular pero, esa es, otra historia.

Hace tiempo que se saber que la luz tiene una dualidad  onda-partícula, y se comporta como una onda  (propagación, interferencia, difracción) y como una partícula (fotones, efecto fotoeléctrico) a la vez,  una característica fundamental de la mecánica cuántica  que depende de cómo la observes o interactúes con ella. 

         Primera foto de la luz como onda y partícula a la vez

Todo esto me lleva a pensar que lo que hace la Naturaleza para conseguir sus fines… ¡Es maravilloso!

¿En qué clase de universo estaríamos sin la presencia de la Luz?

El fotón en sí mismo es una maravilla, una partícula sin masa en reposo y que es la que consigue moverse a la mayor velocidad permitida en nuestro universo. ¿Es sólo energía? Pero, si es solo energía y la ecuación de E = mc² nos dice que masa y energía son dos aspectos de la misma cosa, tendríamos que concluir que el fotón también es masa ¿No?

Planteada esta duda, me dicen:

“¡Excelente pregunta que toca el corazón de la física relativista! Sí un fotón es energía pura, pero la ecuación =² se refiere a la energía en reposo. Un fotón tiene masa en reposo nula, por lo que toda su energía es cinética y no puede estar quieto; viaja a la velocidad de la luz (c) y su energía se define por su frecuencia, no por ², aunque sí se cumple la equivalencia masa-energía, pero para el fotón es una masa que se manifiesta en movimiento, no en reposo, ¡una partícula sin masa intrínseca pero con una tremenda energía y momento!. 

Todo esto puede ser fascinante, para nosotros es como viajar a otro “universo” sin salir de este.

Si tienes tiempo….

Emilio Silvera V.

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