¡La Física! ¿Quién tendrá la llave?

Gordon Kane (en 2003), un físico teórico de la Universidad de Michigan, decía:

“… el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones”.

De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark.

uevos datos del experimento BaBar, una colaboración internacional que tiene su sede en California, Estados Unidos, fueron analizados recientemente y los resultados obtenidos parecen indicar que existen posibles fallos en el Modelo Estándar de la Física de Partículas, teoría que hasta el momento es la que explica mejor cómo funciona el universo a escalas subatómicas.

Claro que, ya estamos acostumbrados a que el imparable avance del conocimiento de la física, a medida que se van descubriendo nuevas tecnologías, también nos posibilite para poder avanzar más y más profundamente en los modelos y teorías que manejamos y, lo que podemos ir viendo en los nuevos descubrimientos nos ayudan a mejorar los modelos y teorías actuales para ir adaptando la física a la realidad que la Naturaleza nos muestra.

Sin embargo, y a pesar de ello, lo cierto es que, el llamado Modelo Estándar (en lineas generales) nos ha servido bien como una teoría coherente y de extraordinario éxito en relación a las interacciones que operan en el Universo. De hecho, el Modelo Estándar incorpora las teorías relativistas y cuánticas de interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles (dejando fuera la Gravedad) que ha superado todas las pruebas con la evidencia experimental, desde las energías más pequeñas hasta los millones de millones de electrón-voltios que se han alcanzado en los Laboratorios del Fermilab en Illinois; desde la precisión de las medidas de masas de estados ligados o de momentos magnéticos, a baja energía, hasta las fabulosas del acelerador LEP en el CERN y ahora del LHC los dos en Ginebra.

Un átomo de Helio 4 según el modelo estándar, se muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color naranja las Fuertes. Entrar en este “universo” de lo muy pequeño resulta verdaderamente fascinante. Ahí podemos ver cosas que, en la vida cotidiana están ausentes y, nos puede parecer habernos transportado a otro mundo donde las cosas funcionan de otra manera.

Según el Modelo Estándar, la gran cantidad de partículas elementales hasta hoy detectadas, cerca de 300, en aceleradores/colisionadores de partículas o en rayos cósmicos, puede ser agrupada en leptones, quarks y hadrones o en leptones y hadrones, ya que los quarks son constituyentes de los hadrones o, también, en leptones, bariones y mesones, pues los hadrones pueden ser divididos en bariones y mesones.

Las interacciones fundamentales tienen lugar como si las partículas que interactúan “intercambiasen” otras partículas entre sí. Esas partículas mediadoras serían los fotones en la interacción electromagnética, los gluones en la interacción fuerte, las partículas W y Z en la interacción débil y los gravitones (aún no detectados) en la interacción gravitacional. Es decir, partículas eléctricamente cargadas interactuarían intercambiando fotones, partículas con carga color interactuarían intercambiando gluones, partículas con carga débil intercambiarían partículas W y Z, mientras que partículas con masa intercambiarían gravitones.

Las partículas mediadoras pueden no tener masa, pero tienen energía, o sea, son pulsos de energía. Por eso, se llaman virtuales. De los cuatro tipos de partículas mediadoras, las del tipo W y Z tienen masa, pero es común que todas sean llamadas partículas virtuales.

Entonces, se podría decir que las partículas de materia o partículas reales (leptones, quarks y hadrones) interactúan intercambiando partículas virtuales (fotones, gluones, W y Z, y gravitones). Aquí hay que tener en cuenta que las partículas de materia pueden tener más de una carga, de modo que experimentarían varias interacciones y fuerzas, pero el ámbito de la interacción puede variar mucho, de tal manera que en un determinado dominio una cierta interacción puede ser irrelevante. La fuerza gravitacional, por ejemplo, puede ser despreciada en el dominio subatómico. Es decir, aunque existan cuatro interacciones fundamentales, cuatro cargas y cuatro fuerzas, eso no quiere decir que todas las partículas tengan las cuatro cargas y experimenten las cuatro interacciones. a Gravedad en este ámbito, es tan pequeña que, pasa desapercibida para nuestros actuales instrumentos. Y, mientras tanto, seguimos sin saber muchas cosas y formulamos preguntas como: ¿Por qué hay algo en vez de nada? ¿Por qué hay tantas partículas elementales diferentes?

La naturaleza de las leyes de simetría se encuentran en el corazón de este asunto. O más bien, la ruptura de las simetrías, tanto las que parecen haber existido en nuestro universo desde el principio como aquellas que han perdido su simetría original en alguna parte del camino.

La Naturaleza nos enseña continuamente la simetría pero… ¡Hay que fijarse en las simetrías rotas para saber

De hecho, todos somos hijos de la simetría rota. Ello debió ocurrir inmediatamente después del Big Bang, hace unos 14.000 millones de años cuando fueron creadas la materia y la antimateria. El contacto de materia y antimateria es fatal para ambas, se aniquilan mutuamente y se transforman en radiación. Es evidente que la materia, al final, ganó la partida a la antimateria, de otra manera nosotros no estaríamos aquí. Pero estamos, y una pequeña desviación de la simetría perfecta parece que ha sido suficiente –un exceso de una partícula de materia por cada diez mil millones de partículas de antimateria fueron suficientes para hacer que nuestro mundo exista-. Este exceso de la materia fue la semilla de nuestro universo, lleno de galaxias, estrellas y planetas y, eventualmente, de vida. Pero lo que hay detrás de esta violación de la simetría en el cosmos es aún un gran misterio y un activo campo de investigación.

La teoría de las partículas elementales considera tres formas básicas de simetría: simetría especular, simetría de carga y simetría temporal (en el lenguaje de la física la simetría especular es denominada P, de paridad; la simetría de carga, C y la simetría temporal,T).

En la simetría especular todos los sucesos ocurren exactamente igual si son observados directamente o reflejados en un espejo. Ello implica que no existe ninguna diferencia entre izquierda y derecha y nadie sería capaz de distinguir su propio mundo de otro reflejado en un espejo. La simetría de carga predice que las partículas cargadas se comportarán exactamente igual que sus antipartículas, las cuales tiene exactamente las mismas propiedades pero carga opuesta. Y de acuerdo con la simetría temporal, las cosas sucederían exactamente igual con independencia de que el tiempo transcurra hacia delante o hacia atrás.

El Modelo Estandar es una síntesis de todas las ideas que la física de partículas ha generado durante más de un siglo. Se asienta sobre la base teórica de los principios de simetría de la física cuántica y la teoría de la relatividad y ha resistido a innumerables pruebas. No obstante, varias crisis se sucedieron poniendo en peligro el bien construido edificio del modelo. Estas crisis tuvieron lugar porque los físicos asumían que las leyes de la simetría eran aplicables al micromundo de las partículas elementales. Pero esto no era totalmente  cierto.

La primera sorpresa surgió en 1956 cuando dos físicos teóricos chino-americanos, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang (galardonados con el Premio Nobel al año siguiente, en 1967) comprobaron que la simetría especular (simetría P) era violada por la fuerza  débil.

Una nueva violación de las leyes de la simetría tenía lugar en la desintegración de una extraña partícula llamada kaón (Premio Nobel concedido a James Cronin y Val Fitch en 1980). Una pequeña fracción de los kaones no seguían las leyes de la simetría especular y de carga; se rompía la simetría CP y se desafiaba la estructura misma de la teoría.

Uno de los más destacados físicos experimentadores del CERN, que trabaja con el LHC en busca de las respuestas a las muchas preguntas planteadas que no han sido aún contestadas por ningún científico en el ámbito de la física, impotente ante tanta ignorancia y llevado de su desesperación dijo:

“Un nuevo experimento desarrollado en el LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra ha puesto uno de los límites más restrictivos del Modelo Estándar de la Física de Partículas, una teoría ampliamente contrastada que da cuenta solamente del 4% del Universo visible. Se necesita una nueva física para explicar el 90% restante y los últimos resultados de LHCb, que restringen la tasa de desintegración de los mesones Bs, señala la nueva física que podemos esperar.”

Como muchos otros modelos que los científicos han creado para expresar éste o aquél apartado de la Naturaleza, también en la física del partículas y de las interacciones fundamentales se ha creado el Modelo estándar que, no podemos negarlo, ha sido y sigue siendo una extraordinaria herramienta para los físicos pero, está incompleto al no incluir la fuerza de Gravedad y, además, es feo y tiene en su construcción, algunos parámetros, que no podemos explicar. Sobre todo, choca que cuando tratamos de unir  el el mundo de la “pequeño” con el mundo de lo “grande”, es decir, la Mecánica cuántica con la Relatividad General… ¡Todo se tambalea, los resultados son incomprensibles y, por todas partes, surgen infinitos indeseables que hacen de todo aquello un gran Caos! No podemos poner juntos, los cuántos con la gravedad. Planck y Einstein eran amigos pero, sus inventos, no se llevan nada bien.

Y, además, el Modelo Estándar es feo y complicado:

1. 36 quarks, que se presentan en 6 “sabores” y 3 “colores” y sus réplicas en antimateria para describir las interacciones fuertes.
2. 8 campos de Yang-Mills para describir los gluones, que ligan los quarks.
3. 4 campos de Yang-Mills para describir las fuerzas débiles y electromagnéticas.
4. 6 tipos de leptones para describir las interacciones débiles.
5. Un gran número de misteriosas partículas de “Higgs” necesarias para ajustar las masas y las constantes que describen a las partículas.
6. Al menos 19 constantes arbitrarias que describen las masas de las partículas y las intensidades de las diversas interacciones.  Estas diecinueve constantes deben ser introducidas a la fuerza; no están determinadas en modo alguno por la teoría (actualmente, las 19 han sido elevadas a 26).

Así las cosas, está claro que hay que buscar otro modelo.

La fealdad del Modelo Estándar puede contrastarse con la simplicidad de las ecuaciones de Einstein, en las que todo se deducía de primeros principios. Para comprender el contraste estético entre el Modelo Estándar y la teoría de la relatividad general de Einstein debemos comprender que, cuando los físicos hablan de “belleza” en sus teorías, realmente quieren decir que estas “bellas” teorías deben poseer al menos dos características esenciales:

1. Una simetría unificadora.
2. La capacidad de explicar grandes cantidades de datos experimentales con las expresiones matemáticas más económicas y, si atendemos la fórmula de Einstein E = mc² , decir más con menos, parece imposible.

El Modelo Estándar falla en ambos aspectos, mientras que la relatividad general los exhibe, ambos, de manera bien patente. Nunca una teoría dijo tanto con tan poco; su sencillez es asombrosa y su profundidad increíble.  De hecho, desde que se publicó en 1.915, no ha dejado de dar frutos, y aún no se han desvelado todos los mensajes que contiene. De hecho, es curioso como éstas ecuaciones emergen desde la teoría de cuerdas en la qu esubyacen sus postulados.

Esa simple ecuación de arriba, formulada por Einstein en su relatividad general, refleja uno de los más profundos pensamientods de la mente Humana desde que el hombre descubrió el mundo físico de las cosas y las fuerzas que con la materia interaccionaba. De hecho, a partir de esa ecuación, se podría decir que nació la ciencia cosmológica antes dispersa.

Al contrario de la relatividad general, la simetría del Modelo Estándar, está realmente formada empalmando tres simetrías más pequeñas, una por cada una de las fuerzas; el modelo es espeso e incómodo en su forma. Ciertamente no es económica en modo alguno. Por ejemplo, las ecuaciones de Einstein, escritas en su totalidad, sólo ocupan unos centímetros y ni siquiera llenaría una línea de esta página. A partir de esta escasa línea de ecuaciones, podemos ir más allá de las leyes de Newton y derivar la distorsión del espacio, el Big Bang y otros fenómenos astronómicos importantes como los agujeros negros. Por el contrario, sólo escribir el Modelo Estándar en su totalidad requeriría, siendo escueto, un par de páginas de esta libreta y parecería un galimatías de símbolos complejos sólo entendibles por expertos.

Los científicos quieren creer que la naturaleza prefiere la economía en sus creaciones y que siempre parece evitar redundancias innecesarias al crear estructuras físicas, biológicas y químicas. El matemático francés Henri Poincaré lo expresó de forma aún más franca cuando escribió: “El científico no estudia la Naturaleza porque es útil; la estudia porque disfruta con ello, y disfruta con ello porque es bella”.

                         Rutherford

E. Rutherford, quien descubrió el núcleo del átomo (entre otras muchas cosas), dijo una vez: “Toda ciencia es o física o coleccionar sello”.  Se refería a la enorme importancia que tiene la física para la ciencia, aunque se le olvidó mencionar que la física está sostenida por las matemáticas que la explica.

Pero, a pesar de todos sus inconvenientes, el Modelo Estándar, desde su implantación, ha cosechado un éxito tras otro, con sus inconvenientes y sus diecinueve parámetros aleatorios, lo cierto es que es lo mejor que tenemos por el momento para explicar las familias de partículas que conforman la materia y cómo actúan las fuerzas de la naturaleza, todas las fuerzas menos la gravedad; esa nos la explica a la perfección y sin fisuras las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

      Llegan nuevas creencias que tienen origen en el pasado cercano

Hace tiempo que los físicos tratan de mejorar el Modelo Estándar con otras teorías más avanzadas y modernas que puedan explicar la materia y el espacio-tiempo con mayor amplitud y, sobre todo, incluyendo la gravedad.  Así que retomando la teoría de Kaluza de la quinta dimensión, se propuso la teoría de supergravedad en 1.976 por los físicos Daniel Freedman, Sergio Ferrara y Peter van Nieuwenhuizen, de la Universidad del Estado de Nueva York en Stoney Brook que desarrollaron esta nueva teoría en un espacio de once dimensiones.

Después de mucho trabajo, mucho tiempo y mucho presupuesto, por fín, llegó el LHC que, cuando comience sus experimentos nos dirá como mejorar el Modelo estándar actual y, seguramente, alguna cosa más. De momento han hecho en buen trabajo en busca del Bosón de Higgs, uno de esos parámetros aleatorios incluidos en el modelo y que, según parece, puede haber sido hallado aunque… mejor dejarlo hasta confirmarlo de manera más fehaciente.

Claro que las cosas no son tan fáciles y a pesar del largo camino recorrido, de los muchos instrumentos ideados por el hombre para desvelar los secretos que la Naturaleza esconde, a pesar del LHC y de los que detrás de él vendrán, a pesar de todo eso, al final del camino lo que predominará será la imaginación de nuestras mentes que llegarán a comprender el por qué de las cosas, de la materia y las fuerzas que con ella interaccionan haciendo de nuestro universo el que podemos contemplar.

Como ya se ha explicado el Modelo Estándar comprende todas las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales. Pero, ¿por qué son estas fuerzas tan diferentes?. ¿Y por qué las partículas tienen masas tan diferentes?. La más pesada, el quark top, es más de tres mil cien veces más pesado que el electrón. ¿Por qué tienen todas masa? La fuerza débil destaca en este aspecto una vez más: sus portadores, las partículas Z y W son muy pesadas, mientras que el fotón, que transmite la fuerza electromagnética, carece de masa.

La mayoría de los físicos piensa que el llamado mecanismo de Higgs es el responsable de que la simetría original entre fuerzas fuera destruido dando a las partículas sus masas en las primeras etapas del universo. Una especie de océano de una sustancia invisible tenía que permear todo el espacio por el que se “paseaban” las partículas que, al “arrastrarse” por ese medio, se veían frenadas y, dicha sustancia se quedaba adherida a ellas dándoles masa. Es lo que nuestro visitante, Ramón Márquez, llama el “efecto frenado”.

Pero, ¿qué violó la simetría primera? El camino hacia ese descubrimiento fue trazado por Yoichiro Nambu quien, en 1960, fue el primero en introducir la violación espontánea de la simetría en la física de partículas. Es por este descubrimiento por el que se le concede el Premio Nobel de Física.

Tenemos algunos ejemplos banales de violación espontánea de la simetría en la vida diaria. Un lápiz en equilibrio sobre su punta lleva una existencia totalmente simétrica en la cual todas las direcciones son equivalentes. Pero esta simetría se pierde cuando cae -ahora sólo una dirección cuenta-. Por otro lado su condición es ahora más estable, el lápiz no puede volver a caer, ha llegado a su nivel más bajo de energía.

El vacío tiene el nivel de energía más bajo posible en el cosmos. En efecto, un vacío en física es precisamente un estado con la menor energía posible. Sin embargo, no está totalmente vacío. Desde la llegada de la física cuántica, el vacío está lleno de una burbujeante sopa de partículas que aparecen e inmediatamente desaparecen en invisibles y ubicuos campos cuánticos. Estamos rodeados por campos cuánticos que se extienden por el espacio; las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza también son descritas como campos. Uno de ellos, el gravitacional, es conocido por todos nosotros. Es el que nos mantiene pegados a la tierra y determina la dirección arriba-abajo.

Nambu indicó que las propiedades del vacío son de gran interés para el estudio de la rotura espontánea de la simetría. Un vacío, que es el estado más bajo de energía, no se corresponde con el estado de mayor simetría. Tan pronto como el lápiz se cae, la simetría del campo cuántico queda rota y sólo una de las muchas direcciones posibles es elegida. En las últimas décadas los métodos de Nambus para tratar la violación de la simetría espontánea en el Modelo Estandar han sido refinados y son frecuentemente usados hoy para calcular los efectos de la fuerza fuerte.

Hablar de todo esto nos lleva hacia caminos amplios y de un largo recorrido.

¡Pero faltan los campos! Los cuatro campos. Sabemos que un cuerpo con masa crea alrededor de sí un campo gravitacional, un campo de fuerza que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo masivo y viceversa. Análogamente, un cuerpo cargado eléctricamente, crea un campo electromagnético (si está en reposo, se percibe sólo su componente eléctrico, si está en movimiento se manifiesta también el componente magnético) y ejerce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo electrizado y viceversa.

De la misma manera, está el campo de la fuerza fuerte y el campo de la fuerza débil. O sea, hay cuatro campos fundamentales: el electromagnético, el fuerte, el débil y el gravitacional. Las  partículas mediadoras son los quantos de los campos correspondientes: los fotones son los quantos del campo electromagnético, los gluones son los quantos del campo fuerte, las partículas W y Z del campo débil y los gravitones serían los quantos del campo gravitatorio.

En otras palabras, los cuatro campos fundamentales son el campo de fotones (electromagnético), el de gluones (fuerte), el de partículas W y Z (débil) y el de gravitones (gravitacional). El problema en esa bella simetría de cuatro cargas, cuatro interacciones, cuatro fuerzas, cuatro tipos de partículas mediadoras y cuatro campos es que aún no fue detectado ningún gravitón y la gravedad, en sí, no encaja bien en esa teoría llamada Modelo Estándar y, por eso precisamente, se dice que es incompleto y que necesitamosm una teoría cuántica de la Gravedad. En ese aspecto, yo, no las tengo todas conmigo, dado que la fuerza de Gravedad parece una teoría aparte y no quiere mezclarse con las otras. Sin embargo, dicen los de la teoría de cuerdas que allí, sí encajan las cuatro fuerzas.

Mucho, muchísimo nos queda por explicar en relación al Modelo estándar y a todo lo que en él está unido. Sin embargo, en física se avanza poco a poco, vamos conociendo cositas que unidas a otras cositas finalmente forman un todo en el que podemos contemplar una perspectiva más amplia y general y, a veces, hasta puede llegar a enseñarnos la belleza que encierram esos cuadros que pinta la Naturaleza y que nosotros, osados, tratamos de descubrir.

emilio silvera

emilio silvera

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