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 entrecijos 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 (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.

l 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 proximamente se llegará a los 100

¿Podéis imaginar conseguir colisiones a 70.000 TeV? ¿Que podrías ver? Y, entonces, seguramente, las protestas de algunas de que “ese monstruo” podría abrir un agujero de gunsano en el esapcio 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 aín 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 supermicroscopio imaginario y enfoquemosló 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 ajustadaspara 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.

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 caraterizan 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 desapaercibidas 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.

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 dejar´ñe 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.

emilio silvera

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Quarks, fotón, neutrino, electrón, protón, neutrón, muón, tau, kaón, sigma, omega, W y Z, gluón, fotón, gravitón…, son muchas más pero estas se consideran las más importantes al formar la materia e intermediar en las interacciones con las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Sus  nombres son muy familiares y, cada una de ellas nos trae una imagen que está asociada a aquello de lo que creemos que forma parte.

El fotón es el cuanto de luz, radiación electromagnética de una longitud de onda comprendida entre 380 y 780 mm, que produce percepción visual. Se define como el producto de visibilidad por el poder radiante, siendo éste último la intensidad de propagación de la energía luminosa.

Un fotón gamma de más alta energía tendría una velocidad menor que otro de baja energía según algunas ideas. Foto: NASA. Según los datos de Fermi, los fotones gamma de alta energía tienen la misma velocidad aunque sus energías sean diferentes. Esto apoya obviamente la Relatividad Especial y contradice algunos resultados teóricos relacionados con teorías cuánticas de gravedad que predecían lo contrario.

El fotón, como partícula, con masa nula en reposo que recorre el espacio vacío a 299.792.458 metros por segundo, puede ser considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Plancky f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Son necesarios para explicar el fenómeno fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula.

De la luz, nos podríamos estar hablando horas y horas, de sus propiedades en fotónica, fotoquímica, fotosfera y otros muchos ámbitos del saber humano con la luz relacionados, como por ejemplo, la claridad luminosa que irradian los cuerpos en combustión, ignición o incandescencia.

En estos tiempos se ha logrado el teletransporte de un haz de fotones a larga distancia que, entre otras cosas, facilitará tanto transmitir información como protegerla de un eventual robo de datos. Un grupo de físicos chinos hizo realidad la teletransportación cuántica de fotones a una distancia de 97 kilómetros. Su haz recreado conservaba la capacidad de llevar información. Lejos queda ya aquel tiempo en el que, aquel genio…,  llamado

Newton nos descubrió que la luz del Sol o luz blanca, era el producto de la mezcla de todos los componentes coloreados, hizo pasar un rayo de luz por un prisma y, la habitación donde hacía el experimento, sus paredes, se llenaron de luciérnagas luminosas de muchos colores, el arco iris estaba allí, del rojo al violeta, descompuestos en mariposas luminosas.

Aunque el tema de la luz me fascina, no quiero repetirme, y,  en uno de mis últimos trabajos, traté ampliamente el tema. El estado natural (último) de la materia, no será sólido, líquido, gaseoso, plasma o materia oscura, el estado final de la materia, cuando pase por todas las fases y trascienda a un estado superior de conexión total con el Universo, será la LUZ. Ahí, dentro de los rayos luminosos, estarán gravados todos los recuerdos, toda la conciencia de la Humanidad que, para entonces, será otra cosa y, sonreirá al ver que un día muy lejano, discutían de Tiempo, de Materia, de… Energías… Cuando no sabían que todo, es la misma cosa en diferentes estadios de su trayectoria universal.

Un equipo internacional de científicos del experimento MINOS en el laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) ha anunciado la medición más precisa del mundo hasta la fecha de los parámetros que rigen las oscilaciones antineutrino (de atrás y hacia adelante), es decir las transformaciones de antineutrinos de un tipo a otro. Este resultado proporciona información crucial sobre la diferencia de masa entre diferentes tipos de antineutrinos. La medición mostró una diferencia inesperada en los valores para neutrinos y antineutrinos. En este parámetro de diferencia de masa, el valor de los neutrinos es aproximadamente un 40 por ciento menor que el de los antineutrinos.

Si hablamos de neutrinos, estamos hablando de Leptones y, a pesar de lo que digan esas mediciones… el neutrino y su oponente antineutrino, deben tener exactamente la misma masa. De no ser así, se rompería el equilibrio que debe existir y, de hecho existe.

Después de tres meses de experimentos en un laboratorio de el Imperial College de Londres, los científicos pueden confirmar –con más confianza que nunca– que el electrón es muy, muy redondo.En las mediciones más exquisitas hasta la fecha, los investigadores declararon que la partícula es una esfera perfecta dentro de una mil millonésima de una mil millonésima de una mil millonésima de centímetro. Si los electrones se aumentaran a escala hasta tener el tamaño del sistema solar, cualquier desviación de su redondez sería menor que el ancho de un cabello humano, señaló el equipo.

El electrón es la partícula principal de la familia leptónica y está presente en todos los átomos en agrupamientos llamados capas electrónicas alrededor del núcleo. Tiene una masa en reposo (m_e) de numeración 9,1093897(54) × 10^-31 Kg y una carga negativa de 1,602 17733(49) × 10^-19 culombios. La antipartícula es el positrón que, en realidad, es copia exacta de todos sus parámetros, a excepción de la carga que es positiva.

Las dos familias: Quarks y Leptones, conforman la materia y, la familia de Bosones intermedian en las cuatro fuerzas fundamentales.

Si el electrón se considerara como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac. Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r₀ llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2’82×10^-13 cm, en donde e y m son la carga y la masa del electrón y c la velocidad de la luz.

El electrón es muy importante en nuestras vidas, es un componente insustituible de la materia y los átomos que son posibles gracias a sus capas electrónicas alrededor de los núcleos positivos que se ven, de esta forma equilibrados por la energía igual, negativa, de los electrones.

“Un nuevo reto estaba sobre la mesa. ¿Cuándo dejan de danzar los quarks dentro de los bariones? Esto es lo que trataron de explicar durante el verano de 2017 en el supercolisionador. Una investigación que aún está llevándose a cabo describe el comportamiento de los quarks pesados de un barión como planetas orbitando alrededor de una gran estrella.”

                  Utilizando grandes aceleradores de partículas hemos conseguido conocer la materia

Los Quarks confinados dentro de los hadrones (nucleones) en el núcleo del átomo y sujetados por los Gluones que no los dejan separarse mediante la fuerza nuclear fuerte.

Los protones, como los neutrones, son de la familia de los Hadrones. El protón es una partícula (no elemental) que tiene carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1,672614 x 10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso, junto al neutrón, también son conocidos como nucleones.

La familia de los Hadrones es la clase de partícula subatómica que interaccionan fuertemente, e incluye protones, neutrones y piones. Los hadrones son o bien bariones, que se desintegran en protones y que se cree están formados por tres quarks, o mesones, que se desintegran en leptones o fotones o en pares de protones y que se cree que están formado por un quark y un antiquark.

La materia bariónica, es la que forman planetas, estrellas y Galaxias, y la podemos ver por todas partes. Nosotros mismos estamos hechos de Bariones. La otra materia, esa que no podemos ver y que, nuestra ignorancia nos ha llevado a llamar oscura, esa, de momento no sabemos ni lo que es, o, si realmente existe y, los fenómenos observados que ella se adjudican, tienen su fuente en otra parte.

        Todo lo que vemos en el universo está hecho de materia bariónica, es decir: Quarks y Leptones

En el Modelo Estándar de la física de partículas, los Bosones aparecen en la última fila vertical, y, representan los mensajeros de las cuatro fuerzas fundamentales. El gravitón sigue sin dejarse “ver”.

Las partículas conocidas como bosones: fotón, gluón, gravitón, partícula W⁺ W^– y Z^º son las que median en el transporte de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Electromagnetismo, fuerza fuerte, la Gravedad, y la fuerza débil. El Fotón transporta el electromagnetismo, la luz y todas las formas de radiación electromagnéticas. El Gluón (el de la libertad asintótica de David Politzer, Frank Wilczek y David Gross), transporta la fuerza nuclear fuerte que se desarrolla en el núcleo del átomo. El Gravitón (ese que aún no hemos localizado), es el mensajero de la Gravitación Universal, haciendo posible que nuestros pies estén bien asentados sobre la superficie del planeta y que el Sistema solar sea estable. Y, por último, las partículas W y Z, responsables de la radiación natural y espontánea de algunos elementos como el Uranio.

Este pequeño repaso a modo de recordatorio, es algo inevitable, si hablamos de materia, las partículas se nos cuelan y, como si tuvieran vida propia (que la tienen), nos obliga a hablar de ellas, lo que, por otra parte no esta mal.

Cuando se enunció la ley de la conservación de la materia no se conocía el átomo, pero con los conocimientos actuales es obvio: puesto que en la reacción química no aparecen ni destruyen átomos, sino que sólo se forman o rompen enlaces (hay un reordenamiento de átomos), la masa no puede variar.

Como la única verdad del Universo es que todo es lo mismo, la materia ni se fabrica ni se destruye, sino que, en cada momento, cada cosa ocupa su lugar exacto por la evolución, la entropía y el paso del tiempo, resulta que, al final, se hable de lo que se hable, aunque sea de la conciencia y del ser, venimos a parar al mismo sitio: El Universo, la materia, la luz, el tiempo… ¡Y nuestras mentes que son el producto de más alto nivel en la evolución de la materia!

Parece mentira como a veces, cuando estoy inmerso en mis más profundos pensamientos, y creo tener una conexión directa con algo que, estando dentro de mí,  intuyo superior, lo veo todo más claro y, en ese momento especial,  todo es más fácil.El Universo está ante mí como un todo de diáfana claridad. Sin embargo, son efímeros momentos que se esfuman y me traen a la realidad de esa complejidad insondable que nos hace comprender, cuan ignorantes somos.

Claro que, si seguimos evolucionando y la Naturaleza nos respeta… ¡Hasta donde podremos llegar! Muchas veces hemos dicho aquí que somos conscientes y aplicamos nuestra razón natural para clasificar los conocimientos adquiridos mediante la experiencia y el estudio para aplicarlos a la realidad del mundo que nos rodea.

También hemos dicho que el mundo que nos rodea es el que nos facilita nuestra parte sensorial, la mente, y que este mundo, siendo el mismo, puede ser muy diferente para otros seres, cuya conformación sensorial sea diferente a la nuestra. Parece que, realmente es así, lo que es para nosotros, para otros no lo será y, tenemos que tener en cuenta esta importante variable a la hora de plantearnos ciertos problemas que, de seguro, tendremos que afrontar en el futuro. Hay diferentes maneras de resolver el mismo problema, solo tenemos que tratar de entenderlos.

                               No todos ven “el mundo” de la misma manera

La Naturaleza de la mente es el misterio más profundo de la humanidad., se trata, además de un enigma de proporciones gigantescas, que se remonta a milenios atrás, y que se extiende desde el centro del cerebro hasta los confines del Universo. Es un secreto que provocó vértigo y depresión en alguna de las mentes más preclaras de algunos de los filósofos y pensadores más grandes que en el mundo han sido. Sin embargo, este amplio vacío de ignorancia está, ahora, atravesado, por varios rayos de conocimiento que nos ayudará a comprender cómo hemos podido llegar hasta aquí y qué conexión existe realmente entre nuestras mentes y el universo inmenso.

Hablar de la “Mente” y del “Cerebro” es querer ir mucho más allá de nuestros conocimientos. Una Galaxia como la Vía Láctea tiene más de 100 000 millones de estrellas, y, un cerebro humano, tiene casi las mismas neuronas y, además, conexiones sin fin que generan ideas y pensamientos, algo que la galaxia no puede hacer. Así que, nos encontramos ante un complejo dilema: La verdad no puede ser experimentada de la misma forma que podemos experimentar con los objetos que están fuera, separados de nosotros y que podemos ver y observar, estudiar sus mecanismos y funciones pero, eso que llamamos “La Mente” es algo más, mucho más que una simple galaxia que “sólo” tiene Estrellas, Nebulosas y Mundos, una Mente, amigos míos, tiene dentro mucho más. Tanto es lo que tiene que no hemos podido llegar a comprender, siendo algo tan cercano a nosotros y que -creemos- está dentro de nosotros mismos, y, sin embargo, no sabemos lo que es, como funciona, y, hasta dónde puede llegar.

          Sí, nuestro cerebro, y nosotros mismos, podemos ser la obra más compleja del Universo

Es curioso constatar como el enorme flujo de información que llega a mi mente a velocidad de vértigo, a veces (como ahora me ha pasado), estoy hablando de una cosa y me transporto  a otra distinta, sin querer, sin que me de cuenta al principio elijo caminos diferentes a los que debía llevar para hacer coherente la conversación iniciada en un campo de objetos materiales. Estaba comentando sobre el cometido de las partículas.

La naturaleza de partícula del electrón se demostró por primera vez con un tubo de Crookes. En esta ilustración, un haz de electrones proyecta el perfil en forma de cruz del objetivo contra la cara del tubo.

• En 1.897, J.Thomson, descubrió el electrón
• En 1.911, Rutherford, descubrió el núcleo atómico y el protón
• En 1.932, Chadwick, descubrió el neutrón.

Así quedó sentado que, el modelo atómico estaba completo basado en un núcleo consistente en protonesy neutrones rodeados en su órbita, de un número suficiente de electrones que equilibraba la carga nuclear y lo hacía estable. Pero este modelo no era suficiente para explicar la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.

Para los no vrsados en “el mundo” de las partículas, no resulta fácil entender las diferentes familias que las forman y el cometido que cada una de ellas …

En 1.935, Yukawa sugirió que la fuerza de intercambio que lo mantenía junto estaba mediada por partículas de vida corta, llamadas mesones, que saltaban de un protón a un neutrón y hacía atrás de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones débiles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales.

También dio lugar al descubrimiento de unas 200 partículas fundamentales de vida corta. Como antes comentaba, en la clasificación actual existen dos clases principales de partículas: Leptones, que interaccionan con el electromagnetismo y con la fuerza nuclear débil y que no tienen estructura interna aparente, y los Hadrones (nucleones, piones, etc.), que interaccionan con la fuerza nuclear fuerte y tienen estructura interna.

                   Murray Gell-Mann

Fue el modelo de Murray Gell-Mann, introducido en1.964, el que fijó la estructura interna de los hadrones que, estarían formado por minúsculas partículas elementales a las que llamó quarks. Este modelo, divide a los hadrones en bariones (que se desintegran en protones) y mesones (que se desintegran en leptones y fotones). lLos bariones están formados por tres quarks y los mesones por dos quarks (quark y antiquark) En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks.

La familia quarks esta compuesta por seis miembros que se denominan up (u), down (d), charmed (c), strange (s), top (t) y, bottom (b). El protón siendo un barión está constituido por tres quarks, uud (dos quarks up y un quark dowm), y, el neutrón por udd (un quark up y dos dowm).

En un nuevo trabajo, los físicos de altas energía han observado dos estados cuánticos muy buscados en una familia de partículas subatómicas: los bottomonium. El resultado ayudará a los investigadores a comprender mejor una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, la fuerza nuclear fuerte, que ayuda a gobernar lasinteracciones de la

materia

“La historia de los quarks nos muestra cómo, a veces, una interpretación más coherente de los datos empíricos obtenidos precisa de hipótesis que se podrían considerar osadas y que, por lo general, son inicialmente ignoradas por la comunidad científica para luego terminar siendo mayoritariamente aceptadas.”

Para que los quarks estén confinados en el núcleo dentro de los nucleones, es necesario que actúe una fuerza, la nuclear fuerte que, entre los quarks se puede entender por el intercambio de ocho partículas sin carga y sin masa en reposo, llamadas Gluones (porque mantienen como pegados a los quarks juntos). Aunque los Gluones, como los fotones que realizan una función similar entre los leptones, no tienen carga eléctrica, si tienen una carga de color. Cada Gluón transporta un color y un anticolor. En una interacción un quark puede cambiar su color, pero todos los cambios de color deben estar acompañados por la emisión de un Gluón que, de inmediato, es absorbido por otro quark que automáticamente cambia de color para compensar el cambio original.

El universo de los quarks puede resultar muy complejo para los no especialistas y como no quiero resultar pesado, lo dejaré aquí y paso de explicar el mecanismo y el significado de los sabores y colores de los quarks que, por otra parte, es tema para los expertos.

                       Dentro del núcleo las fuerzas son… inauditas

Esta teoría de los quarks completamente elaborada está ahora bien establecida por evidencias experimentales, pero como ni los quarks ni los Gluones han sido identificados nunca en experimentos, la teoría no se puede decir que haya sido directamente verificada. Los quarks individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho más masivos que los Hadrones que usualmente forman (debido a la enorme energía potencial que tendrían cuando se separan), y algunos teóricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentales han anunciado resultados consistentes con la presencia de cargas fraccionarias, que tendrían los quarks no ligados y en estado libre.

En ocasiones anteriores, ya hablamos del LHC, ese acelerador de partículas que tantas esperanzas ha suscitado. Puede que él tenga la respuesta sobre los Gluones y los quarks, además de otras muchas como la partícula de Higgs que llegó a encontrar después de muchos episodios fallidos.

Mirad como es nuestra naturaleza. Resulta que aún no hemos podido identificar a los quarks, y, sin embargo, hemos continuado el camino con teorías más avanzadas que van mucho más allá de los quarks, ahora hemos puesto los ojos y la mente, sobre diminutas cuerdas vibrantes, filamentos cien mil veces más pequeños que los quarks y que serían los componentes más elementales de la materia.

                           La materia que va creando espacios al expandirse

Y, a todo esto, ¿qué será de la teoría final, esa que llaman del Todo y que se conoce como teoría de cuerdas? Si finalmente resulta que dichos diminutos objetos están ahí, podría resultar que tampoco sean los componentes finales de la materia, pero el avance será muy significativo. La teoría de supercuerdas, ahora refundida por E. Witten, en la teoría M, si realmente se verifica, nos dará muchas respuestas.

emilio silvera

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A ella se pudo llegar gracias al desarrollo de una serie de pensamientos que comienza por Faraday y Maxwell y asentados en el principio de que todo suceso físico debe atribuirse a acciones cercanas, o, dicho en términos más matemáticos, en ecuaciones a derivadas parciales. Maxwell consiguió expresarlo así para el caso de los fenómenos electromagnéticos en cuerpos inmóviles, desarrollando la idea del efecto magnético de la corriente de desplazamiento en el vacío y proponiendo la identidad entre los campos “electromotores” producidos por inducción y los campos electrostáticos.

Con esta reconocida imagen nos podemos hacer una idea del campo magnético

La ampliación de la electrodinámica al caso de los cuerpos en movimiento fue una tarea que quedó para los sucesores de Maxwell. H. Hertz intentó resolver el problema asignado al espacio vacío (éter) unas propiedades físicas totalmente similares a las de la materia ponderable; en particular, el éter, al igual que la materia debería poseer determinada velocidad en cada punto. La inducción electromagnética o magneto-eléctrica debía estar determinada por la velocidad de variación del flujo eléctrico, o magnético, como en los cuerpos en reposo, siempre que estas variaciones de velocidad se produjeran con respecto a elementos de la superficie que se movieran con el cuerpo. Sin embargo, la teoría de Hertz contradecía el experimento fundamental de Fizeau sobre la propagación de la luz a través de fluidos en movimiento. La ampliación más inmediata de la teoría de Maxwell a los cuerpos en movimiento era incompatible con el experimento.

                La física oculta del éter

En ese punto la salvación llegó de la mano de H. A. Lorentz. Siendo partidario incondicional de la teoría atomista de la materia, Lorentz no podía concebir esta última como un emplazamiento de campos electromagnéticos continuos. En consecuencia, concibió estos campos como condiciones o estados del éter, que se consideraba continuo. Lorentz se imaginaba el éter como algo que en esencia era independiente de la materia, tanto mecánica como físicamente. El éter no debía participar del movimiento de la materia y sólo debía mantener una interacción con ella en tanto que la materia se concebía como conductora de cargas eléctricas ligadas a ella.

Bien sabido es de todos que el átomo es un conglomerado de cargas eléctricas que, siendo positivas (protones) y negativas (electrones), al ser equivalentes se anulan las unas a las otras y se logra la armonía y estabilidad requerida para que, el universo pueda formar las moléculas y, éstas, se agrupan para conformar la materia.

El gran avance metodológico de la teoría de Lorentz residía en el hecho de que, gracias a ella, toda la electrodinámica de los cuerpos en reposo y en movimiento se podía reducir a las ecuaciones del espacio vacío de Maxwell. Esta teoría no sólo era superior a la de Hertz desde un punto de vista metodológico, sino que, además, gracias a ella, H. A. Lorentz consiguió dar una explicación asombrosamente acertada de los hechos experimentales.

Sólo hay un punto de importancia fundamental en el que la teoría no resulta satisfactoria. Parece ser que daba preferencia a un sistema de coordenadas que se encontrara en un determinado estado de movimiento (un sistema de coordenadas que estaba en reposo con respecto al éter luminífero) frente a todos los demás sistemas de coordenadas que se encontraran en movimiento con relación a éste. En este punto parecía que la teoría estaba en contradicción frontal con la mecánica clásica, en la cual todos los sistemas inerciales (que tienen un movimiento uniforme unos con respecto a otros) son equivalentes como sistemas de coordenadas (principio especial de la relatividad). En este sentido, todos los experimentos realizados en el ámbito de la electrodinámica (en particular el experimento de Michelson) ponía de manifiesto la equivalencia de todos los sistemas inerciales, es decir, apoyaban el principio especial de la relatividad.

Experimento Michelson-Morley Reposo con el éter luminífero Interferómetro de Michelson y Morley en reposo respecto al éter luminífero

El movimiento del éter siempre fue un misterio que muchos quisieron resolver y, para ello, se hicieron experimentos de todo tipo. El de Michelson-Morley vino a dejar claro el tema y sirvió a Einstein para descartar el éter de su teoría. Sin embargo, pasado el tiempo, ahora mismo, se está hablando de nuevo de la existencia de una especie de “éter” que impregna todo el espacio.

Así las cosas, la teoría especial de la relatividad surgió precisamente gracias a esta dificultad inicial, que en sí misma resultaba insoportable. La teoría nació como respuesta a la pregunta: ¿Realmente existe una contradicción entre el principio especial de la relatividad y las ecuaciones de campo de Maxwell para el espacio vacío? Aparentemente la respuesta tenía que ser afirmativa. Las mencionadas ecuaciones son va´lidas para un sistema de coordenadas K y se introduce un nuevo sistema de coordenadas K¹ mediante las ecuaciones de transformación, aparentemente fáciles de justificar (aquí las obviaré) y que nos llevan a la transformación de Galileo y, entonces, las ecuaciones de campo de Maxwell ya no se cumplen para esas nuevas coordenadas.

Las coordenadas han sido muy útiles y de fructífero rendimiento

Pero siguiendo con en tema tenemos que decir que, muchas veces, las apariencias engañan. Mediante un análisis más profundo del significado físico del espacio y del tiempo se puede ver que la transformación de Galileo se basa en suposiciones arbitrarias, especialmente en la hipótesis de que la afirmación de la simultaneidad tiene un sentido independiente del estado de movimiento que tenga el sistema de coordenadas utilizado. Queda claro que las ecuaciones de campo en el vacío satisfacían el principio especial de la relatividad cuando se utilizaban las ecuaciones de la Transformación de Lorentz.

Es estas ecuaciones, x, y, z son las coordenadas medidas con una vara de medir que se encuentra en reposo con respecto al sistema de coordenadas (y aunque no las he querido reflejar aquí para no enredar), y en ellas, t representa el tiempo medido con un reloj que se encuentra en reposo y está debidamente ajustado.

Lo grande y lo pequeño: Eso es la Teoría

Ahora bien, para que pueda cumplirse el principio especial de la relatividad, es necesario que todas las ecuaciones de la física conserven invariable su forma al pasar de un sistema inercial a otro, cuando utilizamos para este cambio la Transformación de Lorentz. En lenguaje matemático, diremos que todos los sistemas de ecuaciones que expresan leyes físicas deben ser covariantes con respecto a la Transformación de Lorentz. Por consiguiente, bajo un punto de vista metodológico, el principio especial de la relatividad es comparable al principio de Carnot, que afirma la imposibilidad del perpetuum mobile (movimiento perpetuo o continuo) de segunda especie, ya que, al igual que este último, establece una condición general que deben cumplir todas las leyes naturales.

De manera que la transformación de Einstein, que es la transformación de Lorentz queda como

Podría dejarlo aquí, pero vamos a complicarlo un poco. Introducimos una nueva coordenada espacial a partir de ct, el producto de una velocidad por el tiempo es el espacio y utilizamos la siguiente notación:

Con lo que la transformación de Lorentz queda de la forma más simétrica.

“El origen en el diagrama espacio-tiempo (ct, r) = (0, 0) representa el “ahora”. En la región de color amarillo que representa el “futuro” que le espera al observador predomina el componente temporal sobre el componente espacial, con lo cual s² siempre es mayor que cero (positivo) y por lo tanto es una región de intervalos tipo temporal. En la región de color ciano que representa el “pasado” que recorrió el observador también predomina el componente temporal sobre el componente espacial, con lo cual s² siempre es mayor que cero (positivo) y por lo tanto también es una región de intervalos tipo temporal (timelike). En las líneas que delimitan al cono de luz la componente temporal es igual a la componente espacial con lo cual s² = 0, y es aquí en donde tenemos a los intervalos tipo luminoso que involucran rayos de luz. Y fuera de todo esto tenemos a los intervalos en donde el componente espacial es mayor que el componente temporal con lo cual s² es menor que cero (negativo) siendo por lo tanto la región de intervalos tipo espacial.”

Para esta condición de covariancia encontró H. Minkowski una espresión especialmente bella y sugerente que revela un parentesco formal entre la geometría euclidea tridimensional y el continuo espacio-tiempo de la física.

Seguidamente tendría que exponer aquí un esquema con ecuaciones de la geometría euclidea tridimensional y otro (para comparar) de la teoría especial de la relatividad. Sin embargo, no queriendo complejidades que desvíen al lector de la historia esencial, diré que de ellas se deduce que el tiempo es equivalente a las coordenadas espaciales (dejando a un lado sus relaciones con la realidad), no por lo que respecta a su significado físico, sino por el papel que desempeña en las ecuaciones de la física. desde este punto de vista, la física es en cierto modo una geometría euclidea de cuatro dimensiones o, mejor dicho, un determinado tipo de estática en un continuo euclideo cuatridimensional.

Cono de luz en un espacio-tiempo de Minkowski

El desarrollo de la teoría especial de la relatividad se desarrolló en dos pasos principales: la adaptación de la métrica espacio-temporal a la electrodinámica de Maxwell y una adaptación del resto de la físca a esa métrica espacio-temporal modificada. El primero de estos procesos de adaptación profujo la relativización de la simultaneidad, la influencia del mocimiento en varas de medir y relojes, una modificación de la cinemática y, en particular, un nuevo teorema de adiciín de las velocidades.

El segundo proceso de adaptación dio lugar a una modificación de las leyes newtonianas del movimiento para grandes velocidades, así como una aclaración sobre la naturaleza de la masa inercial cuya importancia es fundamental. Se descubrió que la inercia no es una propiedad fundamental de la materia, ni una magnitud irreducible, sino una propiedad de la energía. Si a un cuerpo se le suministra una energía E, su masa inercial aumenta en una cantidad E/c², donde c es la velocidad de la luz en el vacío; a la inversa, un cuerpo de masa m debe ser considerado como una reserva de energía de magnitud mc².

Cuando se intentó establecer el vínculo entre las teorías de la gravitación y la teoría especial de la relatividad, no tardó en verse que esto no era posible de una manera natural. A propósito de ello a Einstein de le ocurrió que la fuerza de la gravedad posee una propiedad fundamental que la distingue de la fuerza electromagnética: todos los cuerpos caen en un campo gravitatorio con la misma aceleración, o -formulando lo mismo de otra manera- la masa inercial y gravitatoria de un cuerpo son numéricamente iguales.

                                  La vinculación gravitatoria de los cuerpos es bien patente y, en la Tierra y la Luna, tenemos la mejor prueba de ello.

Esta igualdad numérica de la masa inercial y gravitatoria nos hace sospechar que ambas sean esencialmente idénticas; pero ¿pueden las masas inerciales y gravitatorias ser realmente iguales? Esta pregunta nos lleva directamente a la teoría general de la relatividad. ¿No sería posible considerar que la Tierra no realiza un movimiento de rotación, si concibo la fuerza centrífuga, que actúa sobre los cuerpos que están en reposo con respecto a la Tierra, como un campo gravitatorio “real” (o como una parte del campo gravitatorio)? Si esta idea es viable, entonces está realmente demostrado que las masas inercial y gravitatoria son idénticas, ya que el mismo efecto que se considera como inercia desde el punto de vista de un sistema que “no toma parte en la rotación”, puede interpretarse como gravedad si se observa desde un sistema que comparte la rotación. Según Newton, esta interpretación es imposible, porque no se puede considerar según la ley de Newton que el campo centrífugo esté generado por masas, y porque un campo “real” del tipo de “campo de Coriolis” no está contemplado en la teoría newtoniana.

Pero, ¿sería posible sustituir la ley de campos de Newton por alguna otra compatible con el campo que puede existir con respecto a un sistema de coordenadas “en rotación”? El convencimiento de que las masas inercial y gravitatoria son idénticas inspiró a Einstein una confianza incondicional en la validez de esta interpretación y, una idea le llenó de esperanza: conocemos los campos “aparentes” que son válidos con respecto a cualquier sistema de coordenadas que se mueve arbitrariamente con relación a un sistema inercial; utilizando los campos (especiales) se podrá estudiar la ley que cunplen en general los campos gravitatorios. para ello habrá que tener en cuanta que, como generadoras de estos campos, serán determinantes las masas ponderables, o bien lo será la densidad de energía (una magnitud que posee el carácter transformador de un tensor), según el resultado fundamental de la teoría especial de la relatividad.

Tensor métrico de Riemann

A partir de aquí, tendríamos que entrar en el Tensor métrico de Riemann pero, ¡el tiempo! como pasa siempre, me lo impide así que, dejaremos para mejor ocasión el continuar con el tema que, como todo lo que concierne a Einstein, termina siendo fascinante porque, dentro de su complejidad, subyace una sencillez de ideas que, finalmente, terminan por conquistarnos.

emilio silvera

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Ya hemos descrito en trabajos anteriores las dos familias de partículas elementales: Quarks y Leptones. Pero hasta ahí, no se limita la sociedad del “universo” infinitesimal. Existen además las antifamilias. A quarks y electrones se asocian, por ejemplo, antiquarks y antielectrones. A cada partícula, una antipartícula.

Uno de los primeros éxitos de la teoría relativista del campo cuántico fue la predicción de las antipartículas: nuevos cuantos que eran la imagen especular de las partículas ordinarias. Las antipartículas tienen la misma masa y el mismo spin que sus compañeras las partículas ordinarias, pero cargas inversas. La antipartícula del electrón es el positrón, y tiene, por tanto, carga eléctrica opuesta a la del electrón. Si electrones y positrones se colocan juntos, se aniquilan, liberando la energía de sus masas según la equivalencia masa-energía einsteniana.

¿Cómo predijeron los físicos la existencia de anti-partículas? Bueno, por la «interpretación estadística» implicaba que la intensidad de un campo determinaba la probabilidad de hallar sus partículas correspondientes. Así pues, podemos imaginar un campo en un punto del espacio describiendo la creación o aniquilación de sus partículas cuánticas con una probabilidad concreta. Si esta descripción matemática de la creación y aniquilación de partículas cuánticas se inserta en el marco de la teoría relativista del campo cuántico, no podemos contar con la posibilidad de crear una partícula cuántica sin tener también la de crear un nuevo género de partícula: su anti-partícula. La existencia de antimateria es imprescindible para una descripción matemáticamente coherente del proceso de creación y aniquilación según la teoría de la relatividad y la teoría cuántica.

La misteriosa sustancia conocida como “materia oscura” puede ser en realidad una ilusión, creada por la interacción gravitacional entre partículas de corta vida de materia y antimateria. Un mar hirviente de partículas en el espacio puede crear la gravedad repulsiva.

Puede ser posible que las cargas gravitacionales en el vacío cuántico podrían proporcionar una alternativa a la “materia oscura”. La idea se basa en la hipótesis de que las partículas y antipartículas tienen cargas gravitacionales de signo opuesto. Como consecuencia, los pares de partícula-antipartícula virtuales en el vacío cuántico y sus dipolos de forma gravitacional (una carga gravitacional positivos y negativos) pueden interactuar con la materia bariónica para producir fenómenos que se suele atribuir a la materia oscura. Fue el  físico del CERN, Dragan Slavkov Hajdukovic, quien propuso la idea, y demostró matemáticamente que estos dipolos gravitacionales podrían explicar las curvas de rotación de las galaxias observadas sin la materia oscura en su estudio inicial. Sin embargo,  señaló que quedaba mucho por hacer.

Pero sigamos con la cuántica…

El pionero en comprender que era necesario que existiesen anti-partículas fue el físico teórico Paul Dirac, que hizo varías aportaciones importantes a la nueva teoría cuántica. Fue él quien formuló la ecuación relativista que lleva hoy su nombre, y a la que obedece el campo electrónico; constituye un descubrimiento comparable al de las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell. Cuando resolvió su ecuación, Dirac se encontró con que además de describir el electrón tenía soluciones adicionales que describían otra partícula con una carga eléctrica opuesta a la del electrón. ¿Qué significaría aquello? En la época en que Dirac hizo esta observación, no se conocían más partículas con esta propiedad que el protón. Dirac, que no deseaba que las partículas conocidas proliferasen, decidió que las soluciones adicionales de su ecuación describían el protón.

Pero, tras un análisis más meticuloso, se hizo evidente que las partículas que describían las soluciones adicionales tenían que tener exactamente la misma masa que el electrón. Quedaba así descartado el protón, cuya masa es por lo menos, 1.800 veces mayor que la del electrón. Por tanto, las soluciones adicionales tenían que corresponder a una partícula completamente nueva de la misma masa que el electrón, pero de carga opuesta: ¡El antielectrón! Esto quedó confirmado a nivel experimental en 1932 cuando Carl Anderson, físico del Instituto de Tecnología de Calífornia, detectó realmente el antielectrón, que hoy se llama positrón.

Antes de empezar, debemos recordar que el Premio Nobel de Física de 1936 se repartió a partes iguales entre Victor Franz Hess y Carl David Anderson. Merece la pena leer la Nobel Lecture de Carl D. Anderson, “The production and properties of positrons,” December 12, 1936, quien nos explica que en esta imagen un “electrón” de 63 MeV atraviesa un placa de plomo de 6 mm y emerge con una energía de 23 MeV, pero lo hace con la curvatura “equivocada” como si fuera una partícula de carga positiva, como si fuera un protón pero con la masa de un electrón. La Nobel Lecture muestra muchas otras fotografías de positrones y electrones. Anderson afirma: “The present electron theory of Dirac provides a means of describing many of the phenomena governing the production and annihilation of positrons.”

Por otro lado, el Premio Nobel de Física de 1933 se repartió a partes iguales entre Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac. También vale la pena leer la Nobel Lecture de Paul A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” December 12, 1933, aunque no cuente la historia de su descubrimiento, afirma que su ecuación predice el “antielectrón” de soslayo: ”There is one other feature of these equations which I should now like to discuss, a feature which led to the prediction of the positron.” (fuente: Francis (th)E mule Science’s News).

La aparición de las anti-partículas cambió definitivamente el modo de pensar de los físicos respecto a la materia. Hasta entonces, se consideraba la materia permanente e inmutable. Podían alterarse las moléculas, podían desintegrarse los átomos en procesos radiactivos, pero los cuántos fundamentales se consideraban invariables. Sin embargo, tras el descubrimiento de la anti-materia realizado por Paul Dirac hubo que abandonar tal criterio. Heisenberg lo expresaba así:

“Creo que el hecho de que Dirac haya descubierto partículas y antipartículas, ha cambiado toda nuestra visión de la física atómica… creo que, hasta entonces, todos los físicos habían concebido las partículas elementales siguiendo los criterios de la filosofía de Demócrito, es decir, considerando esas partículas elementales como unidades inalterables que se hallan en la naturaleza como algo dado y son siempre lo mismo, jamás cambian, jamás pueden transmutarse en otra cosa. No son sistemas dinámicos, simplemente existen en sí mismas. Tras el descubrimiento de Dirac, todo parecía distinto, porque uno podía preguntar: ¿por qué un protón no podría ser a veces un protón más un par electrón-positrón, etc.?… En consecuencia, el problema de la división de la materia había adquirido una dimensión distinta.”

 

Dado que la anti-materia tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la anti-materia no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de anti-partícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

Existe un “universo” que se nos escapa de la comprensión

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene de algo llamado simetría CPT (Charge-Parity-Time), y nos dice que la equivalencia entre las partículas y anti-partículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al revés) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad.

El carácter mutable de la materia se convirtió en piedra angular de la nueva física de partículas. El hecho de que partículas y antipartículas puedan crearse juntas a partir del vacío si se aporta energía suficiente, no sólo es importante para entender cómo se crean las partículas en aceleradores de alta energía, sino también para entender los procesos cuánticos que se produjeron en el Big Bang.

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

Como ya lo hemos expresado, el conocimiento que se obtuvo sobre la existencia de anti-familias de partículas o familias de anti-partículas es una consecuencia de la aplicación de la teoría relativista del campo cuántico, para cada partícula existe una partícula que tiene la misma masa pero cuya carga eléctrica (y otras llamadas cargas internas) son de signo opuesto. Estas son las anti-partículas. Así, al conocido electrón, con carga negativa, le corresponde un «electrón positivo» como anti-partícula, llamado positrón, descubierto en 1932. El anti-protón, descubierto en 1956, tiene la misma masa que el protón, pero carga eléctrica negativa de igual valor. El fotón, que no tiene masa ni carga eléctrica, puede ser considerada su propia anti-partícula.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como Singularidad, de densidad infinita.

Un agujero negro tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma del material de un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita.

La luz (fotones), no son una onda distinta que un electrón o protón, etc.

1°- “No se dispersan”, no son más pequeñas, como las ondas del agua (olitas) cuando tiramos una piedra, a medida que se alejan de su centro; sino que en el caso de la luz son menos partículas, pero son siempre el mismo tipo de onda (determinada frecuencia), igual tamaño.

2°- Las ondas con más energía son más grandes, los fotones al igual que las partículas son más pequeñas, contra toda lógica (contracción de Lorentz).

3°- No necesitan de un medio material para desplazarse. Viajan en el vacío. El medio que usan para viajar, es el mismísimo espacio.

4°- Su cualidad de onda no es diferente de las partículas. Lo podemos ver en la creación de pares y la cualidad de onda de las partículas, etc. En ningún momento la partícula, es una cosa compacta (ni una pelotita), siempre es una onda, que no se expande. En la comparación con la ola, sería como un “montón” o un “pozo” de agua, con una dirección, lo que conocemos como ecuación de Schrödinger. En ningún momento la partícula, es una pelotita; la ola sobre el agua, no es un cuerpo que se mueve sobre el agua, no es un montón de agua que viene (aunque parece), sino una deformación del agua. Así la partícula, no es un montón de algo, sino una deformación del espacio.

La curvatura está relacionadas con la probabilidad de presencia, no es una bolita que está en uno de esos puntos, sino que es una onda en esa posición. El fotón es una onda que no necesita de un medio material para propagarse, se propaga por el espacio vacío. Así como una onda de sonido es una contracción-expansión del medio en que se propaga, el fotón es una contracción-expansión del espacio (del mismísimo espacio), razón por la cual entendemos que el espacio se curva, se contrae y expande. La rigidez del medio, da la velocidad de la deformación (velocidad de  la onda), en el caso de la rigidez del espacio da una velocidad “c”.Esta onda por causa de la contracción del tiempo (velocidad “c”), no se expande, sino que se mantiene como en su origen (para el observador ), como si fuese una “burbuja”, expandida o contraída, en cada parte, positiva-negativa.

Cada partícula está caracterizada por un cierto número de parámetros que tienen valores bien definidos: su masa, carga eléctrica, spin o rotación interna y otros números, conocidos como cuánticos. Estos parámetros son tales que, en una reacción, su suma se mantiene y sirve para predecir el resultado. Se dice que hay conservación de los números cuánticos de las partículas. Así, son importantes el número bariónico, los diversos números leptónicos y ciertos números definidos para los quarks, como la extrañeza, color, etc. Estos últimos y sus antipartículas tienen cargas eléctricas (± 1/3 o ± 2/3) y números bariónicos (±1/3) fraccionarios. No todos los números asociados a cada partícula han sido medidos con suficiente precisión y no todas las partículas han sido detectadas en forma aislada, por lo menos de su ligamento, como el caso de

loquarksy de los gluones.

Los gluones son una especie de «partículas mensajeras» que mantienen unidos a los quarks. Su nombre proviene del término inglés “glue”, que significa pegamento, en español quizás podría ser gomón. Ahora, en cuanto a los quarks, ya hicimos referencia de ellos anteriormente. Pero recordemos aquí, que fueron descubiertos en 1964 por Murray Gell-Mann, como los componentes más reducidos de la materia. Hasta entonces se pensaba que los átomos consistían simplemente en electrones rodeando un núcleo formado por protones y electrones.

En estado natural, quarks y gluones no tienen libertad. Pero si se eleva la temperatura a niveles 100.000 veces superiores, como se ha hecho en aceleradores de partículas, a la del centro del Sol, se produce el fenómeno del desconfinamiento y por un brevísimo tiempo quedan libres. En ese preciso momento aparece lo que se suele llamar plasma, «una sopa de quarks y gluones» que equivale al estado en que se podría haber encontrado la naturaleza apenas una milésima de segundo luego del Big Bang.

Recientemente se ha descubierto un nuevo estado de la materia, esta vez a niveles muy altos de energía, que los científicos han denominado Plasma Gluón-Quark. La transición ocurre a temperaturas alrededor de cien mil millones de grados y consiste en que se rompen las fuertes ligaduras que mantienen unidos los quarks dentro de los núcleos atómicos. Los protones y neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones (El gluón es la partícula portadora de interacción nuclear fuerte, fuerza que mantiene unida los núcleos atómicos). A temperaturas superiores se vence la fuerza nuclear fuerte y los protones y neutrones se dividen, formando esta sopa denominada plasma Gluón-Quark.

Pero por ahora aquí, nos vamos a quedar con los quarks al natural. Normalmente, los quarks no se encuentra en un estado separados, sino que en grupos de dos o tres. Asimismo, la duración de las vidas medias de las partículas, antes de decaer en otras, es muy variable (ver tablas).

Por otra parte, las partículas presentan una o más de las siguientes interacciones o fuerzas fundamentales entre ellas. Por un lado se tiene la gravitación y el electromagnetismo, conocidas de la vida cotidiana. Hay otras dos fuerzas, menos familiares, que son de tipo nuclear y se conocen como interacciones fuertes y débiles.

La gravitación afecta a todas las partículas, es una interacción universal. Todo cuerpo que tiene masa o energía está sometido a esta fuerza. Aunque es la más débil de las interacciones, como las masas son siempre positivas y su alcance es infinito, su efecto es acumulativo. Por ello, la gravitación es la fuerza más importante en cosmología.

Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo

La fuerza electromagnética se manifiesta entre partículas con cargas eléctricas. A diferencia de las demás, puede ser de atracción (entre cargas de signos opuestos) o de repulsión (cargas iguales). Esta fuerza es responsable de la cohesión del átomo y las moléculas. Mantiene los objetos cotidianos como entidades con forma propia. Un vaso, una piedra, un auto, el cuerpo humano. Es mucho más fuerte que la gravitación y aunque es de alcance infinito, las cargas de distinto signo se compensan y sus efectos no operan a grandes distancias. Dependiendo de las circunstancias en que actúen, estas interacciones pueden manifestarse como fuerzas eléctricas o magnéticas solamente, o como una mezcla de ambos tipos.

La Fuerza Nuclear Débil: otra fuerza nuclear, considerada mucho más débil que la Fuerza Nuclear Fuerte. El fenómeno de decaimiento aleatorio de la población de las partículas subatómicas (la radioactividad) era difícil de explicar hasta que el concepto de esta fuerza nuclear adicional fue introducido.

La interacción nuclear débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón. Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño, sólo del orden de 10^-15 cm.

La interacción fuerte es responsable de la cohesión de los núcleos atómicos. Tiene la intensidad más elevada de todas ellas, pero es también de corto alcance: del orden de 10^-13 cm. Es posible caracterizar las intensidades de las interacciones por un número de acoplamiento a, sin dimensión, lo que permite compararlas directamente:

Fuerte a_s = 15

Electromagnéticas a = 7,3 x 10^-3

Débil a_w 3,1 x 10^-12

Gravitacional a_G = 5,9 x 10^-39

Por otro lado, la mecánica cuántica considera que la interacción de dos partículas se realiza por el intercambio de otras llamadas «virtuales». Tienen ese nombre porque no son observables: existen por un tiempo brevísimo, tanto más corto cuanto mayor sea su masa, siempre que no se viole el principio de incertidumbre de Heisenberg de la teoría cuántica (que en este contexto dice que el producto de la incertidumbre de la energía por el tiempo de vida debe ser igual o mayor que una constante muy pequeña). Desaparecen antes de que haya tiempo para que su interacción con otras partículas delate su existencia.

El fotón  virtual común se desplaza hacia la partícula menos energética.

Dos partículas interactúan al emitir una de ellas una partícula virtual que es absorbida por la otra. Su emisión y absorción cambia el estado de movimiento de las originales: están en interacción. Mientras menos masa tiene la partícula virtual, más lejos llega, mayor es el rango de la interacción. El alcance de la interacción es inversamente proporcional a la masa de la partícula portadora o intermedia. Por ejemplo, la partícula portadora de la fuerza electromagnética es el fotón, de masa nula y, por lo tanto, alcance infinito. La interacción gravitacional también tiene alcance infinito y debe corresponder a una partícula de masa nula: se le denomina gravitón. Naturalmente tiene que ser neutro. (Aún no ha sido vistos ni en pelea de perros).

Como ya hicimos mención de ello, a las fuerzas nucleares se les asocian también partículas portadoras. Para la interacción débil estas partículas se llaman bosones intermedios, expresados como W+, W- y Zº (neutro). El W- es anti-partícula del W+. Los W tienen masas elevadas comparadas con las otras partículas elementales. Lo de bosones les viene porque tienen spin entero, como el fotón y el gravitón, que también los son, pero que tienen masas nulas. Las fuerzas fuertes son mediadas por unas partículas conocidas como gluones, de los cuales habría ocho. Sin embargo, ellos no tienen masa, pero tienen algunas de las propiedades de los quarks, que les permiten interactuar entre ellos mismos. Hasta ahora no se han observado gluones propiamente tal, ya que lo que mencionamos en párrafos anteriores corresponde a un estado de la materia a la que llamamos plasma. Claro está, que es posible que un tiempo más se puedan detectar gluones libres cuando se logre aumentar, aún más, la temperatura, como está previsto hacerlo en el acelerador bautizado como “Relativistic Heavy Ion Collider”, empotrado en Estados Unidos de Norteamérica.

TABLA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Una partícula y su antipartícula no pueden coexistir si están suficientemente cerca como para interactuar. Si ello ocurre, ellas se destruyen mutuamente: hay aniquilación de las partículas. El resultado es radiación electromagnética de alta energía, formada por fotones gamma. Así, si un electrón está cercano a un positrón se aniquilan en rayos gamma. Igual con un par protón-antiprotón muy próximos.

La reacción inversa también se presenta. Se llama «materialización o creación de partículas» de un par partícula-antipartícula a partir de fotones, pero se requieren condiciones físicas rigurosas. Es necesario que se creen pares partícula-antipartícula y que los fotones tengan una energía mayor que las masas en reposo de la partículas creadas. Por esta razón, se requieren fotones de muy alta energía, de acuerdo a la relación de Einstein E=mc2 . Para dar nacimiento a electrones/positrones es necesario un campo de radiación de temperaturas mayores a 7×10⁹ °K. Para hacer lo mismo con pares protón/antiprotón es necesario que ellas sean superiores a 2×10¹² °K. Temperaturas de este tipo se producen en los primeros instantes del universo.

Imagen: El pasado 12 de abril, uno de los instrumentos del observatorio espacial, el Telescopio de Área Grande (LAT), concebido y ensamblado en el National Accelerator Laboratory SLAC del Departamento de Energía, operado en la Universidad de Stanford, California, obtuvo el hito histórico con su detección 1.000.000.000 (mil millones) de rayos gamma extraterrestres.

“Luego de tres años de observación y análisis de los datos recabados a partir de observar día y noche tres cuartas partes de la bóveda celeste, identificamos una fuente de rayos gamma de TeVs muy particular. Se trata de un sistema binario conformado por una estrella de neutrones de unas 16 masas solares y una estrella supergigante de tipo A de 40 masas solares, las cuales orbitan una alrededor de otra a una distancia equivalente a un tercio de la distancia entre el Sol y Mercurio.”

Los rayos gamma están presentes en explosiones de supernovas, colisión de estrellas de neutrones… Todos los sucesos de altas energías los hace presente para que nuestros ingenios los detecten y podamos conocer lo que la materia esconde en lo más profundo de sus “entrañas”. Aún no hemos podido conocer en profundidad la materia ni sabemos, tampoco, lo que realmente es la luz.

emilio silvera

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