El mejor Modelo que hoy tiene la Física

Más de una vez ha sucedido que, después de años de esfuerzo intelectual y de experimentos, surge de la confusión previa una imagen coherente del mundo físico. Un ejemplo muy elocuente de ello, es lo que pasó a finales de los años veinte del siglo XX cuando se inventó la mecánica cuántica, que desveló al fin el extraño mundo del átomo que llevaba décadas desconcertando a los físicos. Otro ejemplo que se me viene a la mente es la revolución del campo de medida, que desembocó en la invención (a finales de los años sesenta del siglo próximo pasado) de las teorías relativitas del campo cuántico de las fuerzas electromagnética débil y fuerte. Estas teorías, investigadas durante décadas, pusieron orden en el mundo subatómico. El resultado de las revoluciones de este género suele ser una nueva unanimidad científica, una visión compartida del orden del mundo. Para la ciencia, es importante disponer de una unanimidad establecida de este tipo. Proporciona un objetivo definido para la crítica y un terreno firme desde el cual es posible lanzarse a vuelos especulativos.

Hacer formulaciones lo más sencillas y precisas sobre la física de las partículas elementales y sus interacciones representa para los físicos que se centran en el estudio de la física de altas energías uno de sus más caros anhelos.

El devenir de la evolución de la física nos ha hecho conscientes de que teorías a ciertas escalas de energía se incompatibilizan y, regularmente, adquieren la propiedad de ser «límites fronterizos» de una teoría más general que trabaja a una escala de energía mayor que la asociada a las teorías independientes y que, además, casi siempre suele ser de una mayor sencillez conceptual. Sin embargo, como ha sido la “gracia” de los humanos que procuran hacer ciencia en física, siguen explorando posibilidades dentro de la teoría que actualmente describe bastante bien a las partículas elementales y que se conoce como «modelo estándar (ME)».

El ME es una teoría que fue enunciada a los finales de los años sesenta y, hasta ahora, comporta bastante éxito desde el punto de vista experimental. En sus principios medulares describe las tres fuerzas no gravitacionales que cohabitan en la naturaleza: la fuerza subatómica fuerte, la subatómica débil, y electromagnética. Se trata de una teoría consistente; sin embargo, más de una «arbitrariedad» ha sido necesario aceptar. Tiene diecisiete parámetros libres, como por ejemplo, las constantes de acoplamiento, el espectro de masa fermiónica, etc., cuyos orígenes no son fáciles de entender teóricamente.

Para que el ME cumpla con sus funciones predictivas es necesario postular la existencia de una masiva partícula escalar llamada bosón de Higgs, la cual, todavía, no ha sido posible observar experimentalmente, pero no se pierden las esperanzas.

Ahora bien, cuando se habla de hacer trabajos en energías superiores a las típicas del ME, o sea, de alrededor de 100 GeV, más de un modelo se encuentra al alcance para posibles generalizaciones del ME consistentes con la correspondiente información experimental. Entre ellos, podemos mencionar los siguientes: modelos con dos dobletes de Higgs, modelos con simetrías izquierda-derecha, sistemas compuestos, métodos lagrangianos, efectivos, supersimetría, teorías supergravitatorias, grandes teorías unificadas (GTU), etc.. Los tres primeros de los nombrados son consistentes a una escala de energía algo más allá de la escala de Fermi (240 GeV) -llamadas también extensiones minímales-, los restantes se extienden de manera natural hasta la escala de Planck (1.019 GeV).

De todas maneras, nos corresponde señalar que el «modelo estándar» de la interacción de partículas subatómicas, en general, y pese a lo precedentemente mencionado, ha gozado de un grado bastante amplio de aceptación. Ha sido bastante exitoso desde un punto de vista experimental: ningún experimento lo contradice en sus fundaciones medulares. El modelo en sí, viene a ser una teoría relativista del campo cuántico en la que los cuantos se denominan quarks, leptones y gluones: un conjunto de partículas fundamentales. Lo describiré con detalle en esta sección y algunas siguientes de forma secuencial, pero, de momento, ésta es la idea básica en su esencia.

LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA

Una Visión Cosmológica.

El núcleo del reino de la teoría cosmológica está formado por cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza: gravedad, electromagnetismo, y las fuerzas subatómicas fuerte y débil. Conocidas colectivamente como fuerzas de campo, el cuarteto difiere fundamentalmente de las familiares fuerzas mecánicas de la experiencia cotidiana.

La noción ordinaria de fuerza implica un agente tangible que actúa directamente sobre algún objeto, como en el caso de un tractor atado a un remolque. El tractor tira; el remolque se mueve. Los físicos explican la gravedad y las demás fuerzas de campo de otra manera. La caída de una manzana no es el resultado de una fuerza mecánica transmitida por la Tierra a través de alguna invisible cadenita. En vez de ello, la manzana se mueve debido a su interacción con el campo gravitatorio local creado por la masa de la Tierra.

El campo es gravedad; en cada punto del espacio existe una magnitud que puede ser medida en términos de la fuerza que ejerce sobre un objeto situado allí. El campo gravitatorio de la Tierra, por ejemplo, es más débil en la cima de una montaña que en el fondo de un océano. El movimiento de un objeto a través de un campo crea una compleja situación. Por ejemplo, cuando una partícula cargada atraviesa un campo electromagnético, induce cambios en el campo. El campo alterado, a su vez, somete a la partícula (y a otras bajo su influencia) a niveles de fuerza constantemente variables.

Los físicos clasifican esta intrincada dinámica recurriendo (como ya lo hemos mencionado anteriormente) a expresiones matemáticas llamadas ecuaciones de campo, los apuntalamientos de las teorías de fuerza. Puesto que estas ecuaciones también hacen posible calcular características anteriores de un campo, son valiosísimas para los cosmólogos. Siguiendo el rastro de las interacciones de materia y campos de fuerza, los teóricos pueden dibujar cuadros mucho más exactos del universo tal como era en su infancia.

Los físicos han podido reconocer en la naturaleza cuatro interacciones fundamentales: la interacción subatómica fuerte, la débil que provocan la desintegración de los núcleos atómicos y de las partículas cuánticas, la fuerza electromagnética y la gravedad. El Modelo Estándar, tal como ya lo señalamos, aborda tres de estas cuatro fuerzas, la electromagnética, la débil y la fuerte. (La gravedad, que es con mucho la fuerza más débil, y que entraña el problema, hasta ahora no resuelto, de una teoría cuántica que la explique, se excluye explícitamente). En el ME, cada una de estas tres fuerzas actúa mediante una serie de partículas cuánticas denominadas gluones, que son cuantos de un campo de medida de Yang-Mills. La interacción fuerte actúa mediante una serie de ocho «gluones coloreados», la débil mediante una serie de «gluones débiles» llamados W y Z, y la electromagnética mediante el fotón, la partícula de luz, que es también un gluón. Todos estos gluones interactúan con una serie de partículas denominadas quarks y leptones. Los leptones se caracterizan porque sólo interactúan con los gluones débiles y el fotón y no lo hacen con los gluones coloreados de las interacciones fuertes. Los quarks interactúan con los tres grupos de gluones, pero predominantemente con los gluones coloreados de interacción fuerte. Los gluones hacen que los quarks y los leptones «se peguen». Sin gluones, el universo se despegaría, se desintegraría. Sería un gas de quarks y leptones sin interacción y no sería nada interesante.

El modelo estándar integra limpiamente dos teorías relativistas del campo cuántico, por una parte, la cromodinámica cuántica, una teoría de campo de quarks que interactúan con los gluones coloreados fuertes, y, por otra, el modelo Weinberg-Salam de las interacciones débiles y electromagnéticas unificadas. Unidas, estas teorías de campo pueden explicar, en principio, todo lo que observamos en el mundo material, salvo la gravedad.

La cromodinámica cuántica describe matemáticamente cómo los quarks se agrupan tan estrechamente que pasan a quedar confinados en pequeñas «bolsas» de modo permanente. Estos objetos bolsiformes, con los quarks atrapados en su interior, son los hadrones, la pinacoteca de partículas de interacción fuerte que se observa en los aceleradores de alta energía de los laboratorios. Entre estos hadrones figuran el protón y el neutrón, que se diferencian de los demás hadrones por su relativa estabilidad. Protones y neutrones se unen para formar todos los núcleos atómicos. Los núcleos son, en cierto modo, sistemas de quarks y gluones coloreados.

El modelo electrodébil unifica la teoría previa de fotones y electrones, llamada electrodinámica cuántica, con una teoría de Yang-Mills de las interacciones puramente débiles, que expresa la desintegración de quarks y leptones. Fue el primer ejemplo de una teoría del campo unificado en que dos interacciones distintas, en este caso la electromagnética y la débil, se convirtieron en sólo manifestaciones independientes de las simetrías de campo subyacentes. Este modelo electrodébil ha inspirado posteriores tentativas de unificación de campos.

El leptón cargado estable es el electrón, que puede combinarse con los núcleos compuestos de protones y neutrones para formar átomos. Los átomos pueden formar las estrellas, los planetas, las moléculas y la vida. El modelo estándar es el primer paso de la receta para confeccionar el universo.

En la sección N°4, de este sexto capítulo, describí la teoría relativista del campo cuántico, una estructura conceptual que sirve para describir el mundo microscópico. La teoría de campo aporta un lenguaje general para analizar las partículas cuánticas, la sintaxis o las normas que ha de respetar cualquier descripción de este género. Pero asunto muy distinto es descubrir las palabras concretas (las partículas elementales que aparecen en la naturaleza) que dan contenido real a ese lenguaje. En sus investigaciones teóricas y experimentales los físicos han descubierto los quarks, leptones y gluones, unidades de materia aparentemente irreductibles, de las que está compuesto todo. Estas partículas elementales encajan como palabras en la estructura conceptual del lenguaje de la teoría de campo y obedecen sus normas.

En resumen, podemos decir que el conjunto de partículas elementales y sus números cuánticos asociados constituyen lo que hoy se llama el «modelo estándar». Con los quarks se arman los protones y neutrones, con éstos los núcleos. Con electrones y núcleos se arman los átomos, y con éstos, moléculas, líquidos, células, las hojas de un periódico y muchas otras formas de materia que nos rodea.

También se pueden armar objetos que no encontramos en la naturaleza, porque, si se producen, duran breve tiempo. Es el caso del positronium, un especie de átomo de hidrógeno formado por un electrón y un positrón. Pudo llamarse electronium, así como el átomo de hidrógeno pudo llamarse protonium. Pero las cosas se llaman como se llaman porque en algún momento hubo que elegir…

Ya mencionamos en las secciones anteriores ocho y nueve la elevada mortalidad infantil de la antimateria en nuestro universo. Electrón y positrón conviven en el positronium apenas hasta que advierten que uno es el anti del otro, aniquilándose luego como un relámpago, mientras un fotón se escapa con la energía para que ésta no se pierda. Es una especie de abrazo suicida, que ocurre apenas en una diezmilésima de millonésima de segundo. El verdadero átomo de hidrógeno, con su electrón y protón, es, en cambio, de larga vida, tan larga que hay algunos viejos como nuestro universo. Es estable, decimos, mientras el positronium es inestable.

No sólo el positronium es mortal. De los sobre cien tipos de átomo que conocemos, apenas unos ochenta existen en alguna forma estable. Mientras el cobre dura indefinidamente, por ejemplo, el plutonio que se forma en reactores nucleares permanece entre nosotros por veinticuatro mil años, el neptunio dura poco más de dos días y el nobelio, tres minutos. Algunos átomos llegan a la ancianidad, otros mueren (decaen, decimos) jóvenes.

Ya que mencionamos al nobelio, cuyo simbolo es “No”, no podemos pasar el hecho de precisar que su nombre se debe como un homenaje a Alfred Bernhard Nobel, de profesión ingeniero-químico, de estado civil soltero, inventor de la dinamita y creador del codiciado premio Nobel.

Pero retomando el asunto de la mortalidad de algunas especies de átomo, corresponde llamar la atención sobre un hecho que es importante. Cuando decimos que el nobelino dura tres minutos, ello implica, tan solo, una afirmación estadística. Lo anterior, implica que vale para los nobelios como conjunto en un material que los contiene, no se aplica literalmente a cada uno. No se puede afirmar que un nobelio en particular que se formó hace 2 minutos y 59 segundos va a desintegrarse ¡ahora! Los tres minutos indican la duración aproximada, ya que se trata de un promedio estadístico.

Para caracterizar la longevidad de la materia inestable se usa habitualmente el concepto de vida media. Indica el tiempo en que la mitad de los ejemplares se desintegra. Tomamos mil átomos de nobelio, por ejemplo, y en tres minutos, 500 han decaído. De los 500 que quedan, un 50 por ciento se desintegra en los siguientes 3 minutos, con lo que, luego de seis minutos, quedan sólo 250. Al transcurrir otros tres minutos quedan 125 y al cabo de los siguientes tres, 62 ó 63, con igual probabilidad. Nótese que en un mismo tiempo decae siempre la mitad de los que quedan: es la ley de disminución exponencial. Siguiendo esta regla, al cabo de un total de treinta minutos queda sólo un átomo sin decaer. No se piense que si partimos con cien veces más nobelios, cien mil en vez de mil, también quedará sólo uno luego de treinta minutos. No, la ley exponencial dice que quedan cien: aumentamos en cien el número inicial, y se aumenta también en cien el número que queda en cada etapa.

El fin del positronium es la aniquilación mutua entre el electrón y el positrón que lo acompaña. Obedece a la atracción fatal de la materia y la antimateria correspondiente. En el caso de los átomos, formados sólo de materia, ocurre otra cosa cuando decaen. El inestable es el núcleo, y la fuerza que provoca el cambio es la fuerza débil, la misma que activa la metamorfosis del neutrón, como explicamos anteriormente. Se divide espontáneamente una o más veces cuando es muy masivo, hasta que alcanza alguna forma estable que no se divide más. El núcleo de polonio (con 84 protones y 126 neutrones), por ejemplo, pierde dos protones y dos neutrones, convirtiéndose en uno de plomo (82 protones, 124 neutrones). El átomo que queda no es neutro, claro, pues tiene más electrones que protones; pero aquéllos se van pronto y dejan atrás un átomo de plomo común y corriente, que es perfectamente estable.

En las próximas secciones, intentaré hacer una descripción, de cada una de las principales partículas elementales también, a veces, llamadas cuánticas.

Texto extraído de Astrcosmo

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