En esta entrada revisaremos lo que se sabe actualmente de las dos teorías que explican de qué estamos hechos y cómo hemos llegado hasta aquí:
La física de partículas y la cosmología.
Lo haremos repasando su historia y a quienes participaron en ella.
En este apartado repasaremos la historia de la física de partículas (que se puede leer con más detalle en esta entrada), separada en periodos de tiempo en los que los físicos se focalizaron en unos aspectos concretos de la misma, intentando poner orden en el zoo de partículas que se iba presentando.
Podemos decir que la física de partículas comienza con el descubrimiento del electrón por Thomsom en 1897, investigando la naturaleza de los rayos catódicos.
Al descubrir que el cociente carga masa de los mismos era enorme (implicando que se trataban de partículas muy cargadas o bien de partículas muy livianas), supuso que estos se componían de corpúsculos diminutos cargados negativamente y que formarían parte de los átomos, proponiendo su modelo del pudín de pasas.
Rutherford desmintió el modelo con su experimento de dispersión de partículas alfa entre 1909 y 1911, concluyendo que los átomos poseían un núcleo cargado positivamente y los electrones se encontraban orbitando el mismo como un sistema planetario (modelo inestable y que Bohr mejoraría). Posteriormente, basado en el hecho de que las masas de los átomos más ligeros eran un número entero de veces la del hidrógeno, propuso que los núcleos de H eran partículas singulares y elementos básicos de todos los núcleos atómicos: los protones.
Por otro lado, dado que los átomos son neutros, no se puede explicar que para la masa del helio se tenga que, si este solo tiene dos electrones y por tanto dos protones. Rutherford supuso que en el núcleo debían haber partículas de masa similar a la del protón pero neutras, denominadas neutrones, que además ayudarían a apantallar la repulsión culombiana entre protones.
Los neutrones fueron descubiertos en 1932 por Chadwick (quien fuera discípulo de Rutherford).
Al principio se pensó que los neutrones serían un sistema protón electrón ligado, pero esto no tenía sentido a la luz de la ecuación , pues los sistemas ligados tienen menos masa que sus componentes por separado y en cambio .
Además, en estos años se produjo el inicio de la física cuántica, intentando dar solución a problemas como la radiación de cuerpo negro, los calores específicos de gases o el efecto fotoeléctrico.
Se entendió que la energía se podía crear y absorber en cuantos de energía llamados fotones (luego la luz tenía naturaleza ondulatoria y corpuscular –dualidad onda/corpúsculo-), así como que las partículas tenían naturaleza ondulatoria.
Se desarrolló la mecánica cuántica, donde a las partículas se las describe por una función de onda que evoluciona según la ecuación de Schrödinger, con el problema de que no es relativista: las partículas libres tienen energía .
A comienzos de los años ’30 la mecánica cuántica estaba en su apogeo, siendo aplicada a numerosos sistemas.
Pero tenía el problema de no ser relativista.
Dirac arregló en parte esto, llegando en 1927 a una ecuación relativista para los electrones (para las partículas de espín -momento angular intrínseco- 1/2 en general).
En esta, la energía de las partículas sigue la ecuación relativista . El problema es que esta ecuación da dos soluciones posibles para las energías, separadas por una banda de energías prohibidas.
Como los sistemas físicos tienden a ir a menores energías, nada impedía que las partículas no <
Para evitarlo, Dirac propuso que los estados de energía negativa estaban llenos de un mar de electrones.
Si uno de estos electrones absorbía un fotón, podía saltar a las energías positivas.
El hueco dejado en las negativas se comportaría a efectos prácticos como un electrón positivo, que se denominó positrón.
El positrón fue encontrado en 1931 por Anderson.
Aun así, la interpretación de Dirac no satisfizo a los físicos, que ya estaban desarrollando las primeras teorías cuánticas de campos, QFT (por sus siglas en inglés), teorías cuánticas y también relativistas, donde las partículas se entienden como excitaciones que pueden surgir en los campos tras cuantizarlos.
Así, se tienen campos electrónicos, positrónicos, neutrónicos, etc.
Con esta teoría, llegó la interpretación de Feynman-Stueckelberg, según la cual los estados de energía negativos se interpretan como estados de energía positivos de una partícula diferente.
Nace así el concepto de antipartícula. Las antipartículas se suelen denotar por una barra encima, por ejemplo, si representamos por al protón, el antiprotón será , aunque las cargadas se suele únicamente cambiar el símbolo de la carga (si el electrón es , el positrón es ). Algunas partículas son sus propias antipartículas, como el fotón: .
El último aspecto relevante de esta época es la introducción de las partículas mensajeras como mediadoras de las interacciones.
La idea fue propuesta por Hideki Yukawa.
Se sabía que debía haber una interacción nueva que mantuviera a los protones y neutrones en el núcleo sobreponiéndose a la repulsión electromagnética, pero con un alcance menor ya que si no toda la materia se aglutinaría en núcleos. Esta fuerza se denominó fuerza nuclear fuerte.
Para explicar su corto alcance, Yukawa supuso que la interacción entre nucleones (partículas que componen en núcleo) es como sigue: un nucleón emite una partícula mensajera, que es absorbida por otro núcleo resultando en una interacción atractiva o repulsiva (la fuerza nuclear fuerte debía ser repulsiva a muy cortas distancias).
https://fisicatabu.com/wp-content/uploads/QED_25-477x166.jpgIntercambio de piones en la interacción entre nucleones.
Esto se conoce como diagrama de Feynman, donde se esquematiza el proceso de interacción entre las partículas mediante el intercambio de otras partículas virtuales.
No se corresponde con el proceso real, pues realmente surgió como una manera de traducir ecuaciones a diagramas para operar con ellos más fácilmente.
La energía necesaria para crear tal partícula se justifica a partir de la indeterminación se puede violar la conservación de la energía para crear una partícula de energía , siempre que sea por un TIempo (estas partículas son indetectables experimentalmente de manera aislada, por lo que se conocen como partículas virtuales). Suponiendo que tal partícula (en el peor de los casos) viaja a la velocidad de la luz, el tiempo necesario para recorrer el diámetro del núcleo implicaría una masa de entorno a. Al estar en un rango de masas intermedio de las partículas por entonces descubiertas (pues , y, estas partículas mensajeras se denominaros mesones (de masa media, en contraposición a leptones para los electrones -por ligeros- y bariones a nucleones -por pesados
Es interesante destacar que los mesones (que finalmente se descubrieron como partículas denominadas piones) tienen espín unidad (entero), por lo que son bosones (no cumplen el principio de exclusión de Pauli, en contraposición a los fermiones -espín semi entero- que sí lo cumplen).
Esta es una característica de las partículas mensajeras.
En los años 50 los físicos estaban aún aprendiendo a domar los infinitos que aparecían en sus teorías.
La electrodinámica cuántica (QED) se había completado la pasada década con nombres como Feynman, Schwinger y Tomonaga) y era la primera teoría cuántica de campos, aplicable a la interacción de la luz con partículas cargadas.
Pero la fuerza fuerte y la fuerza débil (responsable de que los núcleos se desintegraran) se resistían a modelarse como QFT.
Para la fuerza débil se tenía una teoría puntual sin partículas mediadoras, ideada por Fermi, que había tenido buenos resultados explicando algunos procesos en los que intervenían neutrinos partículas neutras y con masa muy pequeña que se emitían en los decaimientos beta.
Pero para otros procesos arrojaba probabilidades infinitas, lo que era formalmente inaceptable.
Por otro lado, a partir de los años 50 empezaron a detectarse una ingente cantidad de nuevas partículas, lo que pondría patas arriba lo que los físicos conocían.
Estas partículas se catalogaron como extrañas, porque solían aparecer por pares.
Algunas tenían masas intermedias, por lo que entraban a engrosar el grupo de mesones, y otras masas muy grandes, entrando al grupo de bariones.
Pero pronto esta clasificación cambió. Ya que el protón era estable, cuando en principio podría decaer según , se introdujo el concepto de número bariónico y una ley de conservación asociada al mismo.
Así, las partículas se clasificaban en leptones, que no sienten la interacción fuerte, como los electrones, muones y neutrinos) y hadrones, que sí la sienten, y a su vez se dividen en mesones y bariones, siendo estos últimos los que tienen número bariónico no nulo que ha de conservarse en las interacciones.
En los años 60, Gell-Mann y Yuval Ne’eman se dieron cuenta independientemente de que las partículas conocidas se podían agrupar según patrones geométricos. Por ejemplo, los bariones ligeros y los mesones conocidos cuadraban en octetes hexagonales y los bariones pesados en decupletes a esto se le denominó, jocosamente, óctuple camino en alusión al budismo por los octetes
Lo interesante de estos patrones es que están basados en la teoría de grupos, rama de las matemáticas que estudia las transformaciones de simetría, lo que permitía predecir cosas en base a ellos.
Por ejemplo, para entonces no se había descubierto aún la partícula del decuplete marcada con ? en la figura inferior. Gell-Mann (al igual que hizo Mendeleev con su tabla periódica, dejando huecos y prediciendo las propiedades de los átomos que ahí irían) predijo su existencia y propiedades como su masa, extrañeza, etc.
https://fisicatabu.com/wp-content/uploads/Baryon_decuplet-sin-omega-1024x675.png
Es más, la teoría de grupos explicaba que estos patrones eran representaciones del grupo SU(3) de dimensiones 8 y 10.
Pero el grupo SU(3) admite una representación tridimensional que, para más inri, permite construir el resto de representaciones mediante multiplicaciones de la misma.
Y era de suponer que la naturaleza también tendría 3 partículas para tal representación aun más fundamentales que el resto.
Estas partículas se denominaron quarks, y venían en tres sabores: el quark up u, el quark down d, y el quark strange, s (se acabarían descubriendo tres más, encanto, c, top, t, y botom, b).
La carga de los quarks debía ser fraccionaria ( para el u, para d y s) y mediante agrupamiento compondrían los hadrones (tres quarks los bariones, dos quarks los mesones).
Por ejemplo, el contenido de quarks del protón es y el del neutrón .
Al hecho de que los quarks no se puedan observar aislados se le denomina confinamiento, y se debe a que la constante de acoplamiento de la fuerza fuerte (similar a las constantes y de electromagnetismo y gravedad, respectivamente) crece con la distancia, por lo que si se intentan separar dos quarks acabamos creando nuevos quarks que se emparejan.
Aun así, surgió un problema: algunas partículas tenían los tres quarks iguales (como la partícula predicha por Gell-Mann, que era
Para explicar que pudiesen formar hadrones y cumplir el principio de exclusión (ya que los quarks tienen espín 1/2), era necesario introducir un nuevo número cuántico, que Greenberg denominó carga de color, que puede tener tres valores.
Se fue entendiendo que la fuerza que unía a los quarks se debía a esta carga de color, y la QFT que la explicaba era la cromodinámica cuántica (QCD), cuyos bosones intermediarios se denominaron gluones (de pegamento -glue- en inglés, por ser la fuerza fuerte la más intensa), que también portan (dos) carga(s) de color. Así, la fuerza que permite formar hadrones es la fuerza fuerte mediada por gluones, mientras que la fuerza que une a los núcleos es un remanente de la misma, al igual que la interacción Van der Waals es un remanente de la interacción electromagnética.
Además, aun no se tiene una teoría al respecto, pero se sabe que los hadrones han de ser incoloros en el sentido cromático: los bariones tienen que tener tres quarks de distinto color (los tres colores básicos suman blanco), y los mesones dos quarks de colores contrarios (en el sentido de que uno sea azul y el otro anti-azul). Cabe mencionar que la carga de color no tiene que ver con un color real de los quarks, es más bien un nombre desafortunado.
Por último, faltaba una QFT para la interacción débil que fuera renormalizable.
Esto lo consiguieron Glashow, Weinberg y Salam (GWS) con su teoría electrodébil.
En ella, consiguieron unificar el electromagnetismo con la fuerza débil.
De esta unión surgían cuatro bosones, tres de los cuales adquirían masa tras una ruptura espontánea de la simetría y formaban los bosones (vectoriales por tener espín unidad) de la interacción débil: (encontrados en el CERN en los años 80), así como un cuarto bosón sin masa para la interacción electromagnética, el fotón.
Los bosones vectoriales son capaces de cambiar el sabor de los quarks, lo que permitía explicar el decaimiento beta como la transformación de un quark d en uno u gracias a un bosón que luego decae en un electrón y un antineutrino.
https://fisicatabu.com/wp-content/uploads/310px-Beta_Negative_Decay.svg_.png
El mecanismo que dota de masa a los bosones vectoriales, así como al resto de partículas masivas del modelo estándar es el mecanismo de Higgs-Kibble, asociado a un bosón de espín cero que se encontró en 2012 en el CERN, y que GWS introdujeron en su teoría electrodébil.
Se denomina modelo estándar a la teoría que agrupa todos los conocimientos de la física de partículas hasta ahora.
Por un lado tenemos seis sabores de leptones, que se distinguen por su masa y número leptónico.
Podemos agruparlos de manera natural en tres generaciones: y , ordenadas por masa creciente (con la salvedad de que los neutrinos no tienen masa en el modelo estándar, aunque experimentalmente se sabe que su masa es muy pequeña pero no nula).
Por otro tenemos seis sabores de quarks, ordenados también de manera natural en tres generaciones:, y .
De nuevo, ordenadas por masa creciente y correspondiendo el primer quark de cada par a carga y el segundo a .
Cada quark se presenta en tres colores.
Los quarks están confinados formando hadrones, siendo imposibles observarlos de manera aislada (aunque los experimentos de dispersión confirman su presencia), y además los hadrones han de ser incoloros.
Para las interacciones, tenemos un bosón mediador para el electromagnetismo, tres para la fuerza débil, y ocho para la fuerza fuerte.
Además, la teoría tiene una fuerte carga matemática basada en la teoría de grupos.
El grupo de simetrías del modelo estándar se puede poner como el producto de los grupos de cada interacción:
donde es el grupo de color de la fuerza fuerte, y el grupo de la fuerza electrodébil.
Finalmente, se añade el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría y el bosón de higgs para dotar de masa a las partículas.
Aun así, se sabe que el modelo estándar no puede ser la última palabra.
A parte de desacuerdos experimentales menores, los físicos no están contentos con tener tres generaciones distintas de quarks y leptones, además de tener quarks y leptones por separado, creyendo que deben todos formar parte de un grupo de simetrías mayores que los conecte.
La cosmología es la rama de la física que aborda preguntas como ¿de dónde viene todo lo que nos rodea? ¿Cuál es nuestro lugar en el cosmos? No Se Debe Ser Débil, Si Se Quiere Ser Libre
Primera parte
