El complejo universo de lo muy pequeño

En 1970, de las siguientes características de la interacción débil sólo se conocían las tres primeras:

• La interacción actúa de forma universal sobre muchos tipos diferentes de partículas y su intensidad es aproximadamente igual para todas (aunque sus efectos pueden ser muy diferentes en cada caso). A los neutrinos les afecta exclusivamente la interacción débil.
• Comparada con las demás interacciones, ésta tiene un alcance muy corto.
• La interacción es muy débil. Consecuentemente, los choques de partículas en los cuales hay neutrinos involucrados son tan poco frecuentes que se necesitan chorros muy intensos de neutrinos para poder estudiar tales sucesos.
• Los mediadores de la interacción débil, llamados W⁺, W^– y Z⁰, no se detectaron hasta la década de 1980. al igual que el fotón, tienen espín 1, pero están eléctricamente cargados y son muy pesados (esta es la causa por la que el alcance de la interacción es tan corto). El tercer mediador, Z⁰, que es responsable de un tercer tipo de interacción débil que no tiene nada que ver con la desintegración de las partículas llamada “corriente neutra”, permite que los neutrinos puedan colisionar con otras partículas sin cambiar su identidad.

A partir de 1970, quedó clara la relación de la interacción débil y la electromagnética (electrodébil de Weinberg-Salam).

La interacción fuerte (como hemos dicho antes) sólo actúa entre las partículas que clasificamos en la familia llamada de los hadrones, a los que proporciona una estructura interna complicada. Hasta 1972 sólo se conocían las reglas de simetría de la interacción fuerte y no fuimos capaces de formular las leyes de la interacción con precisión.

Como apuntamos, el alcance de esta interacción no va más allá del radio de un núcleo atómico ligero (10^-13 cm aproximadamente).

La interacción es fuerte. En realidad, la más fuerte de todas.

Bajo la influencia de esta interacción, las partículas que pueden desintegrarse, las “resonancias” lo hacen muy rápidamente. Un ejemplo es la resonancia Δ, con una vida media de 0’6 × 10^-23 s. Esta colisión es extremadamente probable cuando dos hadrones se encuentran a una distancia cercana a 10^-13 cm.

Hasta 1972 se pensaba que los mediadores de la interacción fuerte eran los piones, que tienen espín 0 y una masa comprendida  entre 135 y 140 MeV. Por ejemplo, la fuerte atracción entre dos protones se debe fundamentalmente al intercambio de un pión. Hoy en día se dice que esto obedece al hecho de que los piones son los hadrones más ligeros y que, como los demás hadrones, están formados por quarks. La interacción fuerte es entonces un efecto secundario de una interacción más fuerte incluso entre quarks. Los mediadores de esta interacción más fuerte son los gluones.

Los gluones en realidad son los fotones de Yang-Mills que actúan sobre el color de los quarks. Los quarks son los ladrillos de la materia; forman los protones, neutrones, piones, kaones, etc., o sea, los bariones y los mesones. Cada tipo de quarks (arriba, abajo, extraño, encantado, etc.) pueden tener un color que, en realidad, son cargas más complejas que las cargas eléctricas ordinarias que son positivas o negativas y que se neutralizan mutuamente, así que, la carga eléctrica en los quarks está suplida por “color” rojo, verde o azul (que nada tienen que ver con los colores reales y se eligen por convención). Los quarks con diferente color se atraen entre sí, forman grupos de materia con mezcla de color. Los únicos trozos de materia que pueden encontrarse libremente en la naturaleza son mezcla de quarks que no tienen color (blanco o algún tipo de gris) de acuerdo con la regla que se parece a la siguiente: rojo + verde + azul = blanco.

Los antiquarks tienen los colores conjugados: magenta, violeta y amarillo. Los gluones transportan a la vez un color y su anticolor, lo que da lugar a nueve combinaciones, pero una mezcla, una superposición de rojo/anti-rojo, verde/anti-verde o azul/anti-azul que no tiene color, no participa. De manera que sólo quedan ocho tipos de gluones.

Aunque de pasada, parece conveniente hacer referencia aquí a las leyes de conservación, tales como la conservación de la energía, la conservación del momentoy también la conservación de la extrañeza (denotada por la letra s).

En la tabla de partículas de la página 19 no he querido incluir los números de extrañeza (s) y de isoespín (I₃). Pero es de observar que esos números no se conservan siempre que una partícula se desintegra. Esto se debe a que la interacción débil, responsable de la mayoría de las desintegraciones, no respeta estas leyes de conservación. La fuerza electromagnética tampoco conserva el isoespín.

Vida y muerte

Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida medio. La partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

Lo que puede vivir una u otra partícula puede diferir de manera muy considerable. Por ejemplo, un neutrón vive 10¹³ veces más que una partícula sigma⁺, y una partícula sigma⁺ tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma⁰. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10^-24 segundos, se puede decir con toda seguridad que todas estas partículas son bastante estables; de hecho, en la jerga profesional de los físicos las tienen como “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide de manera electrónica su desintegración.

Que la mayoría de las partículas tengan una vida media de 10^-8 segundos significa que son extremadamente estables. La función de onda interna oscila más de 10²² veces por segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10^-8 × 10²², que es 10¹⁴, o lo que es lo mismo, 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera.

Aunque la vida del neutrón sea mucho más larga (en promedio, un cuarto de hora), su desintegración también, como la anterior, se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según la bien conocida fórmula de Einstein, E = mc².

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas reflejadas en la tabla reflejada en el comentario de más abajo, serían completamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π⁰, η y Σ⁰ es la electromagnética. Precisamente, estas partículas tienen una vida media mucho más corta, lo que nos induce a pensar que, aparentemente, la interacción electromagnética es más fuerte que la interacción débil.

Tal cúmulo de partículas y de los complejos detalles que en cada una de ellas hay que tener en cuenta para tenerlas perfectamente clasificadas, hizo exclamar al gran físico italiano Enrico Fermi “si llego a saber esto me habría dedicado a la botánica”.

Cuando las partículas se desintegran, en realidad se transforman en otra. Un ejemplo típico de una resonancia delta (Δ)

Δ⁺⁺ → p + π⁺;  Δ⁰ → p + π^– ó n + π⁰

Como se puede ver en el ejemplo, la resonancia delta⁺ se desintegra en un protón y un pión⁺; la neutra  en un protón y un pión^–, o en un neutrón y un pión neutro.

Hay miles de ejemplos que se definen según las partículas que desintegramos.

Igual que Dimitri Ivanovich Mendeleev descubrió el sistema periódico de los elementos químicos en 1869, así también se hizo posible un sistema similar para las partículas. Esta pauta la encontraron independientemente el americano Murray Gell-Mann y el israelí Yuval Ne’eman. Ocho especies de mesones, todos con el mismo espín, u ocho especies de bariones, con el mismo espín, se podían reagrupar perfectamente en grupos que llamaremos múltiples. El esquema matemático correspondiente se llama SU(3).

Gell-Mann llamó a esta teoría “el óctuplo camino”. Lo tomó prestado del budismo de acuerdo con el cual el camino hacia el nirvana es el camino óctuplo. Cuando se propuso este esquema se conocían nueve bariones con espín 2/3. No figuran en la tabla de páginas anteriores porque son resonancias; cuatro de ellas resonancias delta, que como hemos visto en el ejemplo anterior se desintegran en nucleones estables y piones. Así, Gell-Mann predijo un décimo barión, el omega^– y pudo precisar la masa con bastante exactitud porque las masas de los otros nueve bariones variaban de una manera sistemática siguiendo una pauta que sólo tuvo que seguir para adjudicar la masa de la omega^–. Pero esta partícula con extrañeza s = -3 no tenía partícula ninguna en la que desintegrarse que no estuviera prohibida por las leyes de conservación de la interacción fuerte. De modo que la omega sólo podía desintegrarse por interacción débil, y por tanto, su vida media no podía ser de tan sólo 10^-23 segundos como los demás miembros del multiplote, sino que tenía que ser del orden de 10^-10 segundos. Consecuentemente, esta partícula debería viajar varios centímetros antes de desintegrarse y esto la haría fácilmente detectable. La omega^– fue encontrada en 1964 con exactamente las mismas propiedades que había predicho Gell-Mann.

Se identificaron estructuras multiplotes para la mayoría de los demás bariones y mesones y Gell-Mann también consiguió explicarlas. Sugirió que los mesones, al igual que los bariones, debían estar formados por elementos constitutivos “más fundamentales aún”. Gell-Mann trabajaba en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) donde conversaba a menudo con Richard Feynman, otro físico muy famoso pero con personalidad muy diferente. Mientras que Gell-Mann es un hombre erudito en idiomas y literatura, con las artes en general, Feynman era un hombre hecho a sí mismo, un analista riguroso y un matemático excepcional, que se reía de cualquier cosa que le recordara la autoridad establecida; era un pensador libre y profundo.

Gell-Mann, cuando sugirió otros elementos más elementales que bariones y mesones, se refería a los que más tarde llamaría quarks y que, precisamente, en un número de tres forma bariones, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark.

En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks. Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto, pero de signos opuestos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+2/3 ó -1/3 de la carga electrónica). Los quarks aparecen en seis sabores (sin conexión con el gusto): up, down, charmed, strange, top y bottom. Los tres quarks del protón son uud, mientras que el neutrón está formado por udd. Cada sabor tiene su antiquark con carga opuesta.

Todos los bariones están formados por tres quarks, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark, y los propios quarks forman un grupo SU(3).

Las partículas “ordinarias” contienen solamente quarks u y d. Los hadrones “extraños” contienen uno o más quarks s o antiquarks .

Con tres quarks y tres antiquarks se pueden formar nueve posibles combinaciones, pero la novena, un estado que cambia continuamente de  a  y , tiene un comportamiento excepcional. Este objeto llamado η^r es considerablemente más pesado que los otros.

Como los tres tipos de quarks pueden tener espín “hacia arriba” o “hacia abajo”, tenemos en total seis elementos, que dan lugar a 56 combinaciones diferentes de estos tres quarks. Cada elemento del decuplete tiene espín 3/2 y puede, por lo tanto, rotar de cuatro formas diferentes alrededor de su eje (uno de esos hechos maravillosos en mecánica cuántica). Los miembros del octeto tienen espín ½ y, por lo tanto, sólo pueden rotar de dos formas diferentes y así es como salen los números: 56 = 4 × 10 + 2 × 8.

Realmente, la idea de que los hadrones estuvieran formados por ladrillos fundamentales sencillos había sido también sugerida por otros. George Zweig, también en el Caltech, en Pasadera, había tenido la misma idea. Él había llamado a los bloques constitutivos “ases”, pero es la palabra “quark” la que ha prevalecido. La razón por la que algunos nombres científicos tienen más éxito que otros es, en realidad, un misterio. Einstein, en un principio, llamó a su teoría “invarianza”, referida a la velocidad de la luz, pero más tarde Max Planck al comentarla la llamó “teoría de la relatividad”, y sin saber por qué, hasta Einstein terminó adoptando el nombre que se hizo mundialmente famoso. Seguramente, el más conocido de todos los dados a las diversas teorías de la física.

Pero continuemos con los quarks que, aparentemente, siempre existen en parejas o tríos y nunca se han visto solos. Los experimentadores lo han intentado numerosas veces, pero sin éxito.

Los quarks (si se pueden aislar) tendrían propiedades incluso más extrañas. Por ejemplo, ¿cuáles serían sus cargas eléctricas? Es razonable suponer que tanto los quarks u como los s y d deban tener siempre la misma carga. Pero las tablas reseñadas antes nos sugieren que d y s tienen carga -1/3 y el quark u tiene carga 2/3, sin embargo, nunca se han observado partículas que no tengan carga múltiplo de la del electrón (negativa) o la del protón (positiva). Si tales partículas existieran, sería posible detectarlas experimentalmente. Que esto haya sido imposible debe significar que las fuerzas que los mantienen unidos dentro del hadrón son necesariamente increíblemente eficientes, ya que mantienen a los quarks confinados en una distancia de R ≈ hc/Λ ≈ 10^-13 cm.

Aunque la llegada de los quarks ha clarificado bastante más el galimatías de la flora y fauna de las partículas subatómicas, todavía forman un conjunto muy raro, aun cuando solamente unas pocas aparezcan en grandes cantidades en el universo (protones, neutrones, electrones y fotones). Pero, como dijo una vez Sybren S. de Groot cuando estudiaba neutrinos, “uno termina enamorado de ellas, su comportamiento misterioso, su enorme pequeñez y su enorme importancia” (unidas conforman todo lo que existe en el universo, incluidos nosotros mismos, que podemos pensar, discurrir y hablar sobre ellos). Los leptones, por ser casi puntuales, son los más sencillos, y por tener espín se ven afectados por la interacción que actúa sobre ellos de forma muy complicada. Pero la interacción débil de la que hablo está bien documentada.

Los hadrones son mucho más misteriosos. Los procesos de choque entre ellos eran demasiado complicados para una teoría completa y sin fisuras. Si nos lo imaginamos como pequeñas esferas hechas de alguna clase de material, aún nos queda el problema de entender los quarks y encontrar la razón por la que se siguen resistiendo a los intentos de los experimentadores para aislarlos.

¿Podrá el LHC dar alguna respuesta?

Además de otras fuentes está presente la de emilio silvera

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