¡La Materia! ¿Cuántas formas puede adoptar?

De pequeño, en la escuela primaria, una de las primeras cosas que nos enseñaron (después de a leer y escribir), fue que la materia podía estar en nuestro mundo en tres estados: Sólido, Líquido y Gaseoso.

Más tarde, la Física en particular y la Ciencia en General, evolucionaron mucho y, supimos de otros estados de la materia que, antes, no eran conocidos. Por ejemplo, el Plasma. El plasma es un estado de la materia consistente en iones (átomo o grupo de átomos que o bien ha perdido uno o más electrones, quedando cargado positivamente -catión-, o bien a ganado uno o más electrones quedando cargado negativamente –anión-) y electrones moviéndose libremente.

Las estrellas están constituidas por plasma, existiendo también plasma en el espacio interestelar; el viento solar es un plasma. Debido a que el plasma está altamente ionizado, su comportamiento difiere del gas normal. Los campos eléctricos y magnéticos externos pueden afectar al plasma, y las propias partículas cargadas del plasma pueden también interaccionar entre sí magnética y eléctricamente.

Claro que la Ciencia avanza sin parar, y, los conocimientos que vamos adquiriendo nos llevan a pensar en futuras formas y maneras en que podríamos encontrar la materia y, repasando mis ficheros, me encuentro con unos datos que nos vienen como anillo al dedo para refrendar esos avances y pensamientos que van más allá del presente.

¡Materia Extraña!

“La hipótesis de la existencia de la Materia de Quarks Extraña, formada por quarks u, d y s, como el estado más fundamental de la materia (Bodmer 1971, Witten 1984), constituye una de las especulaciones más excitantes de la Física del siglo XX. Si dicha hipótesis fuese correcta, la materia de quarks sería absolutamente estable, conformaría el núcleo de objetos compactos como las estrellas de neutrones y podría formar objetos aún más exóticos como las estrellas de Quarks.

Debido al régimen de alta densidad y baja temperatura al que se encuentran sometidas estas estrellas es posible que la interacción atractiva de los quarks, a través del intercambio de gluones, favorezca la aparición de una fase superconductora de “color”, modificando significativamente la ecuación de estado del sistema.

Así, las estrellas de quarks y los núcleos de objetos compactos, donde las densidades de partículas son extremadamente grandes (varias veces la densidad de equilibrio nuclear) y los campos magnéticos extraordinariamente intensos (10¹⁷ – 10¹⁹G), serían candidatos naturales para la “verificación” de la existencia de la superconductividad de color.

Hace ya tres décadas que T.D. Lee (Premio Nobel de Física) y G. Wick apuntaron la posibilidad de explorar una nueva Física distribuyendo una densidad de materia nuclear grande o una densidad de energía grande en un volumen relativamente grande. Ellos pretendían restablecer simetrías rotas del vacío físico y crear nuevos estados anormales de materia nuclear densa.

Enseguida se vio que la libertad asintótica en Cromodinámica Cuántica (QCD), en aquel tiempo recién descubierta, implicaba la existencia de una forma de materia nuclear muy densa formada por Quarks y Gluones deconfinados, que posteriormente se llamó plasma de Quarks y Gluones.

Podemos entender la transición entre la materia nuclear ordinaria y un gas de quarks y gluones libres como un cambio en el número de grados de libertad, ya sabéis que, precisamente la fuerza nuclear fuerte está en el confinamiento de los quarks que son retenidos por los ocho estados de color de los gluones que dentro (por ejemplo) de un protón, están confinados y, cuanto más se separan los quarks los unos de los otros, más aumenta la fuerza nuclear para impedirlo (confinamiento de los quarks) y, cuanto más se juntan, más débil es la fuerza. A decir verdad, es la única fuerza de la naturaleza que crece con la distancia.

Pero continuemos con lo que nos interesa aquí, A temperaturas por debajo de la temperatura crítica (omito símbolos, ecuaciones y otros enredos para el lector no versado), los quarks y los gluones no solamente están confinados en los Hadrones, sino que la simetría quiral de QCD se rompe espontáneamente (un cambio rápido sin discontinuidad). De esta manera, la búsqueda de QGP es importante no solo porque es la forma de la materia de QCD a alta temperatura o alta densidad bariónica que estuvo presente durante los primeros microsegundos tras el Big Bang y que puede existir en estrellas de neutrones, sino porque nos proporciona información sobre el origen de la mayor parte de la masa ordinaria y sobre el confinamiento de quarks y gluones.

En las últimas décadas se han realizado muchos experimentos orientados a la obtención en laboratorio del QGP y, a partir de ahora, con el LHC en marcha en el CERN se espera que se alcancen energías iguales a 5,5 TeV por nucleón. Todos los datos obtenidos de estos experimentos son del máximo interés y que sería engorroso explicar aquí por sus complejas estructuras en las que se observan una fuerte supresión de partículas producidas  en las colisiones y que conducen a una saturación de la multiplicidad por nucleón participante en la colisión, y un flujo elíptico cuyo comportamiento y dependencia con la masa de las partículas es consistente con cálculos hidrodinámicos que asumen que el sistema creado en la colisión se isotropiza muy rápidamente.

Todos estos resultados apuntan a la creación de materia de alta densidad, con grados de libertad partónicos (el partón es una partícula puntual, casi libre, postulada como un componente de los nucleones. El Modelo de partones permite entender los resultados de experimentos de muy alta energía con nucleones). El estado inicial de la colisión podría describirse por modelos de saturación de partones como el denominado Color Glass Condensate, que estaría próximo a un estado termalizado que experimenta un flujo colectivo, descrito hidrodinámicamente como un fluido casi perfecto –de muy baja viscosidad-. Debido a la existencia de este medio constituido por un fluido partónico casi perfecto de muy alta densidad, la propagación de partículas con momento transverso alto se modifica fuertemente respecto a su propagación en el vacío.”

Como el artículo se pone muy denso, recordaré aquí aquella anécdota del Premio Nobel que nombraba al principio de este trabajo, T. D. Lee.

Resulta que Lee, viajaba en el metro de Nueva York. De pronto y de manera inesperada, fue abordado por su vecino de asiento, un jubilado que, asistiendo a clases nocturnas no se aclaraba con las matemáticas del cuaderno que arrugaba entre sus manazas.

Desesperado, se volvió a Lee y le preguntó: ¿Sabe algo de números? Y, al mismo tiempo, le tendía el maltrecho cuaderno y el lápiz.

Lee (disfrutando del momento y de aquella situación inusual en su vida), tomó los elementos que le tendía aquel hombre, y, sin decir palabra, comenzó a garabatear rápidamente las soluciones a tan básicos problemas.

Seguidamente y, también en silencio, le devolvió a aquel señor los utensilios que aquel tomó con ansiedad y, al ver que todo estaba hecho, miró a Lee y le agradeció la ayuda con una amplia sonrisa de complicidad.

Claro que, lo que aquel buen hombre no sabía era que, había tenido la suerte de viajar en metro teniendo por compañero a un Premio Nobel de Física que, además, demostrando su categoría humana, con sencillez, le prestó la ayuda que necesitaba sin darle más importancia.

La verdadera categoría de las personas quedan al descubierto en momentos así. Otro más presuntuoso que Lee, en primer lugar ni habría viajado en metro.

Bueno, una vez relajados, volvamos al artículo que nos ocupa y que terminaré diciendo que, las colisiones entre iones pesados a energías ultrarelativistas constituyen la posibilidad experimental de crear en Laboratorio el Plasma de Quarks y Gluones. El estudio de este nuevo estado de la materia debe ayudar a la comprensión del fenómeno del confinamiento en la teoría de campos que nos explica la interacción fuerte. La Cromodinámica Cuántica.

Los Físicos, aparte de todos estos fenómenos y estados de la materia que, de seguro, les quedan algunos por resolver, tienen en el casillero de lo pendiente, entre otros muchos temas, uno que es crucial para entender muchas cuestiones de nuestro Universo: El Estado de la Materia en una Singularidad. Sabemos que una estrella normal como nuestro Sol, cuando llega al final de su vida y se convierte en gigante roja para expulsar material al espacio interestelar mientras se contrae bajo la fuerza de Gravedad para, finalmente, convertirse en una enana blanca, encuentra su equilibrio en el hecho de que, llegado a un momento, la contracción de la materia que conforma a la estrella es frenada por la degeneración de los electrones que haciendo frente a la fuerza de Gravedad, son capaces de paralizarla al igualar su fuerza y encontrar así el equilibrio. Así, allí quedan una Nebulosa Planetaria y una estrella enana Blanca que, en el caso de nuestro Sol, habría alcanzado un tamaño similar al de la Tierra y, su densidad, sería de 5 x 10⁸ Kg/cm³.

De la misma manera, si la estrella inicial fuese más masiva, su evolución al final de su vida sería hacia una estrella de Neutrones que, frenaría la fuerza gravitatoria que la comprime por la degeneración de los neutrones que, se produce cuando electrones y protones se unifican para formar neutrones que al ser comprimido más y más, se degenerran y frenan la Gravedad.  Su densidad mucho más alta aún que la de una enana blanca. Si nos vamos a una estrella gigante supermasiva, la fuerza de Gravedad que genera su inmensa masa, es imparable, nada puede evitar que siga y siga comprimiendo la materia de la estrella y, el final del proceso es la aparición de un Agujero Negro, ese monstruo cosmológico cuya intensa Gravedad se traga hasta la luz circundante, de ahí su nombre.

La estrella hipotética de Quarks, estaría situada en un punto intermedio entre la de neutrones y el Agujero Negro. Pero, finalicemos con lo que queríamos reseñar, es decir, ¿qué clase de materia conforma una singularidad? ¿En qué se han convertido las partículas que componían aquella materia original?

Es tal nuestro desconocimiento sobre éste tema de la singularidad que, si nos vamos al diccionario de Física, sólo encontramos la vaga explicación: “Punto matemático en el que ciertas cantidades físicas alcanzan valores infinitos. Por ejemplo, de acuerdo a la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo se hace infinita en un agujero negro. En la teoría del Big Bang el Universo nació de una singularidad en la que la densidad y la temperatura de la materia eran infinitas.”

Claro que, como nadie ha podido visitar una singularidad para verla y estudiarla, nos tenemos que conformar con las hipótesis y teorías que nuestros escasos conocimientos nos permiten emitir tratándo de aproximarnos a esa incognita desconocida a la que llamamos singularidad y que, encierra, el estado más extraño y misterioso de la materia que podamos imaginar.

emilio silvera

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