Las fuerzas fundamentales y la materia

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos. Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar, en una teoría o modelo, a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros, antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del Universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Cuando hablamos de la relatividad general, estamos tratando el concepto de la fuerza Gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética, es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa, es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente  importante para mantener a los componentes del Universo juntos. De hecho, sin esta fuerza, no existiría el Sistema Solar, ni las galaxias, y seguramente, ni nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la Gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal, es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

La interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción y electromagnética, ocurre entre Leptones y en la desintegración de los Hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos. En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios que, para esta fuerza son las partículas w+, w- y Zº. Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La teoría electrodébil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS. También SheldonGlashow,propusootrasimilar.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y como ya se dijo antes, aparece sólo entre los Hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10⁻¹⁵ metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por intercambio de mesones virtuales (Gluones). Esta descrita por una teoría gauge llamada cromodinámica cuántica.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas  para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills. Esta diferencia explica porque la electrodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la Gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.” Se lo comentó a León Lederman, Premio Nobel de Física, cuando este aún era jovén y coincidieron en un Congreso, en la cola de la comida, ambos con sus bandejas en la mano a la hora del bufé.

Las partículas siempre fueron una fuente de estudio y desde los primeros momentos, los físicos quisieron saber y  desentrañar de qué estaba hecha la materia. Así, desde Rutherford con su descubrimiento del núcleo atómico, se comenzó a investigar cómo estaba conformado éste, y, finalmente llegamos a saber que los nucleones eran los protones y neutrones formados por los quarks y que, eran el núcleo de los átomos, es decir, el 99,9% de los mismos, el resto eran los electrones que repartidos por capas giraban a su alrededor para darle la estabilidad al compensar las fuerzas positivas de los protones con otras similares de los electrones. Así, el átomo quedaba estable y se podían unir para formar moléculas, células y cuerpos de materia.

• Protón que es una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1,672614×10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que está formado por partículas más simples, los quarks.
• Neutrón que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo. Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo mn), siendo de 1,6749286(10) x10^-27 kg. Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno normal que está formado por un solo protón. Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1932 por James Chadwick (1891-1974).

Serían interesante poder llegar a saber si, más allá de los quarks, existen algunas partículas más simples, es decir, si los quarks son verdaderamente partículas elementales que se juntan en tripletes para formar protones y neutrones, o, si por el contrario, dentro de esas diminutas partículas existen, a su vez, otras más simples que serían las verdaderas partículas elementales.

¡La Materia! Que en muchos aspectos sigue siendo un gran misterio.

emilio silvera

Trabajo enviado en su día al Carnaval de Física.

[?]