La Vida de las partículas

 La Mente: Ese misterio

El cerebro humano despierta pasiones y misterios desde los comienzos de su estudio. Hoy abrimos el telón para repasar algunos de los enigmas sobre este complejo órgano que la ciencia todavía no ha sido capaz de resolver.

Dijo Oscar Wilde que es en el cerebro donde todo tiene lugar y razón no le faltaba en absoluto.

 

“Hablamos del órgano que posee la batuta de nuestro organismo y en el que se aloja nuestra mente. Destaca por su elevada actividad metabólica -puesto que, pese a representar el 2% de peso corporal consume una quinta parte de toda la energía-. Está compuesto en un 73% por agua, se trata del órgano más graso del cuerpo, tiene una consistencia gelatinosa similar al tofu y puede contener más de 86 billones de células cerebrales. Para que te hagas a la idea: un pedacito de cerebro del tamaño de un minúsculo grano de arena aglutina hasta 100.000 neuronas, de las que existen 10.000 tipos específicos.”

 

Vivimos aventuras increíbles y extrañas

 

“Sweet dreams are made of this”, cantaba Annie Lennox con Eurythmics. Pero, por muy poética que resulte la pregunta, todavía no sabemos de qué están hechos los sueños, pese a que pasamos un tercio de nuestra vida durmiendo y se conocen las nefastas consecuencias de no hacerlo. Desde tiempos inmemoriales los sueños han sido todo un misterio para la humanidad: los antiguos egipcios les atribuían un poder oracular, la Biblia los considera premonitorios en numerosos pasajes, mientras que diversas culturas los califican como fuente de curación, motivo de inspiración e incluso realidad alternativa.”

 

 

Los científicos no saben dónde termina el cerebro y dónde empieza la mente. ¿Son la misma cosa? ¿Existe el alma? ¿Se ubica de ser así en nuestro cerebro? ¿Cuál es el responsable de todos los pensamientos y sentimientos únicos que nos hacen quienes somos? Todos, desde los filósofos hasta los físicos, han abordado esta cuestión de la conciencia, un concepto muy subjetivo y complicado de cuantificar.

Para ahondar en la parte empírica de esta cuestión, los científicos se han ayudado de imágenes cerebrales para observar cómo se iluminan diferentes partes del cerebro, aunque todavía no se conoce en qué etapa del proceso una neurona se convierte o deriva en un pensamiento consciente.

 

No en todos funciona de la misma manera la conciencia, son muchos los factores que intervienen en cada individuo, y, mientras uno la sienten como guía, otros la dejan de lado y tratan de olvidar los mensajes que recibe de ella.

 

 

El engaño de la memoria

Ray Loriga decía aquello de “la memoria es el perro más estúpido. Le tiras un palo y te trae cualquier cosa”. La cuestión de la alteración o borrado de los recuerdos ha sido ampliamente tratada a nivel cultural, en series como Black Mirror o películas como Eternal Sunshine of the Spotless Mind. El tema propicia numerosos debates, y es que ni siquiera los científicos están completamente seguros de cómo se forman los recuerdos, cómo los recuperamos o cómo desaparecen.

Los científicos han podido identificar dónde se almacenan ciertos tipos de memoria. También han descubierto cómo las neuronas se activan y las sinapsis se fortalecen al almacenar estos recuerdos. Pero no saben exactamente lo que pasa en esa neurona para almacenar la memoria, o cómo disolver esa conexión sináptica si quieres olvidar algo. En septiembre de 2008, surgieron nuevas pistas sobre la memoria: en este estudio, los investigadores encontraron que las neuronas activadas en el recuerdo de una memoria son probablemente las que se activaron cuando el evento ocurrió originalmente. Entonces, cuando hablas de revivir viejos recuerdos, el cerebro está haciendo exactamente lo mismo que hizo la primera vez, es decir, está reviviendo literalmente la ocasión.

 

 

 

¿Alguna vez has sentido que ya habías estado en un lugar sin haberlo visitado? Imaginar ciertos eventos y llegar a creer que fueron reales se establece en un parámetro mental denominado recuerdos falsos.

A veces podemos “recordar” escenas de momentos que nunca vivimos. Es el auto-engaño de la Memoria. Ese es, el otro dilema que la ciencia explora es que la memoria que a veces parece jugarnos malas pasadas, ya que creamos recuerdos falsos.

 

 

La Mente, la Conciencia, plantea un problema especial que no se encuentra en otros dominios de la Ciencia. En la física y en la química se explican unas entidades determinadas en función de otras entidades y otras leyes pero, en el caso de la Conciencia… ¿Cómo poder explicar tal maravilla?

Si nos encontramos ante este panorama nuestra Mente parece que se expansiona y siente bienestar

La mente humana es tan compleja que no todos ante la misma cosa vemos lo mismo. Nos enseñan figuras y dibujos y nos piden que digamos (sin pensarlo) la primera cosa que nos sugiere. De entre diez personas, sólo coinciden tres, los otros siete divergen en la apreciación de lo que el dibujo o la figura les sugiere. Un paisaje puede ser descrito de muy distintas maneras según quién lo pueda contar.

Si nos encontramos ante esta escena, nuestra Mente lanza mensajes de miedo y de asombro

Solo el 1% de las formas de vida que han vivido en la Tierra están ahora presentes, el 99%, por una u otra razón se han extinguido. Sin embargo, ese pequeño tanto por ciento de la vida actual, supone unos cinco millones de especies según algunas estimaciones.

No pueden caber todas aquí. Sin embargo, están bien clasificadas por familias y, desde luego, muchas de ellas nos son desconocidas porque aún no las hemos encontrado ni sabemos que puedan existir.

La  Tierra acoge a todas esas especies u palpita de vida que prolifera por doquier. Hay seres vivos por todas partes y por todos los rincones del inmenso mosaico de ambientes que constituye nuestro planeta encontramos formas de vida, cuyos diseños parecen hechos a propósito para adaptarse a su hábitat, desde las profundidades abisales de los océanos hasta las más altas cumbres, desde las espesas selvas tropicales a las planicies de hielo de los casquetes polares.

Se ha estimado la edad de 3.800 millones de años desde que aparecieron los primeros “seres vivos” sobre el planeta (dato de los primeros microfósiles). Desde entonces no han dejado de aparecer más y más especies, de las que la mayoría se han ido extinguiendo. Desde el siglo XVIII en que Carlos Linneo propuso su Systema Naturae no han cesado los intentos por conocer la Biodiversidad…, de la que por cierto nuestra especie, bautizada como Homo sapiens por el propio Linneo, es una recién llegada de apenas 200.000 años.

Hablamos del árbol de la vida pero… ¡Qué pasa con la semilla!

Ahora, hablaremos de la vida media de las partículas elementales (algunas no tanto). Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida media, una 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.

También podríamos utilizar el concepto de “semivida”. Si tenemos un gran número de partículas idénticas, la semivida es el tiempo que tardan en desintegrarse la mitad de ese grupo de partículas. La semivida es 0,693 veces la vida media.

Si miramos una tabla de las partículas más conocidas y familiares (fotón, electrón muón tau, la serie de neutrinos, los mesones con sus piones, kaones, etc., y, los Hadrones bariones como el protón, neutrón, lambda, sigma, psi y omega, en la que nos expliquen sus propiedades de masa, carga, espín, vida media (en segundos) y sus principales maneras de desintegración, veríamos como difieren las unas de las otras.

Algunas partículas tienen una vida media mucho más larga que otras. De hecho, la vida media difiere enormemente. Un neutrón por ejemplo, vive 10¹³ veces más que una partícula Sigma⁺, y ésta tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma cero. 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 10ˉ²⁴ segundos, se puede decir con seguridad que todas las partículas son bastantes estables. En la jerga profesional de los físicos dicen que son “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida media 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 electrónicamente su desintegración. Las partículas comprendidas entre 10ˉ¹⁰ y 10ˉ⁸ segundos solían registrarse con una cámara de burbujas, pero actualmente se utiliza con más frecuencia la cámara de chispas. Una partícula que se mueve a través de una cámara de burbujas deja un rastro de pequeñas burbujas que puede ser fotografiado. La Cámara de chispas contiene varios grupos de de un gran número de alambres finos entrecruzados entre los que se aplica un alto voltaje. Una partícula cargada que pasa cerca de los cables produce una serie de descargas (chispas) que son registradas electrónicamente. La ventaja de esta técnica respecto a la cámara de burbujas es que la señal se puede enviar directamente a una computadora que la registra de manera muy exacta.

Una partícula eléctricamente neutra nunca deja una traza directamente, pero si sufre algún tipo de interacción que involucre partículas cargadas (bien porque colisionen con un átomo en el detector o porque se desintegren en otras partículas), entonces desde luego que pueden ser registradas. Además, realmente se coloca el aparato entre los polos de un fuerte imán. Esto hace que la trayectoria de las partículas se curve y de aquí se puede medir la velocidad de las partículas. Sin embargo, como la curva también depende de la masa de la partícula, es conveniente a veces medir también la velocidad de una forma diferente.

Una colisión entre un prtón y un antiprotón registrada mediante una cámara de chispas del experimento UA5 del CERN.

En un experimento de altas energías, la mayoría de las partículas no se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz. Durante su carta vida pueden llegar a viajar algunos centímetros y a partir de la longitud media de sus trazas se puede calcular su vida. Aunque las vidas comprendidas entre 10ˉ¹³ y 10ˉ²⁰ segundos son muy difíciles de medir directamente, se pueden determinar indirectamente midiendo las fuerzas por las que las partículas se pueden transformar en otras. Estas fuerzas son las responsables de la desintegración y, por lo tanto, conociéndolas se puede calcular la vida de las partículas, Así, con una pericia ilimitada los experimentadores han desarrollado todo un arsenal de técnicas para deducir hasta donde sea posible todas las propiedades de las partículas. En algunos de estos procedimientos ha sido extremadamente difícil alcanzar una precisión alta. Y, los datos y números que actualmente tenemos de cada una de las partículas conocidas, son los resultados acumulados durante muchísimos años de medidas  experimentales y de esa manera, se puede presentar una información que, si se valorara en horas de trabajo y coste de los proyectos, alcanzaría un precio descomunal pero, esa era, la única manera de ir conociendo las propiedades de los pequeños componentes de la materia.

Que la mayoría de las partículas tenga una vida media de 10ˉ⁸ segundos significa que son ¡extremadamente estables! La función de onda interna oscila más de 10²² veces/segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10ˉ⁸ x 10²², que es 1¹⁴ o 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera. Podemos decir con toda la seguridad que la interacción responsable de tal desintegración es extremadamente débil.

Se habla de ondas cuánticas y también, de ondas gravitacionales. Las primeras han sido localizadas y las segundas están siendo perseguidas.

Aunque la vida de un neutrón sea mucho más larga (en promedio un cuarto de hora), su desintegración también se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos atómicos 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. Una desintegración sólo puede tener lugar si la masa total de todos los productos resultantes es menor que la masa de la partícula original. La diferencia entre ambas masas se invierte en energía de movimiento. Si la diferencia es grande, el proceso puede producirse muy rápidamente, pero a menudo la diferencia es tan pequeña que la desintegración puede durar minutos o incluso millones de años. Así, lo que determina la velocidad con la que las partículas se desintegran no es sólo la intensidad de la fuerza, sino también la cantidad de energía disponible.

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas serían perfectamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π°, η y Σ° es la electromagnética. Se observará que estas partículas tienen una vida media mucho más corta, aparentemente, la interacción electromagnética es mucho más fuerte que la interacción débil.

Durante la década de 1950 y 1960 aparecieron tal enjambre de partículas que dio lugar a esa famosa anécdota de Fermi cuando dijo: “Si llego a adivinar esto me hubiera dedicado a la botánica.”

Si la vida de una partícula  es tan corta como 10ˉ²³ segundos, el proceso de desintegración tiene un efecto en la energía necesaria para producir las partículas ante de que se desintegre. Para explicar esto, comparemos la partícula con un diapasón que vibra en un determinado modo. Si la “fuerza de fricción” que tiende a eliminar este modo de vibración es fuerte, ésta puede afectar a la forma en la que el diapasón oscila, porque la altura, o la frecuencia de oscilación, está peor definida. Para una partícula elemental, esta frecuencia corresponde a su energía. El diapasón resonará con menor precisión; se ensancha su curva de resonancia. Dado que para esas partículas extremadamente inestable se miden curvas parecidas, a medida se las denomina resonancias. Sus vidas medias se pueden deducir directamente de la forma de sus curvas de resonancia.

Bariones Delta. Un ejemplo típico de una resonancia es la delta (∆), de la cual hay cuatro especies ∆ˉ, ∆⁰, ∆⁺ y ∆⁺⁺(esta última tiene doble carga eléctrica). Las masas de las deltas son casi iguales 1.230 MeV. Se desintegran por la interacción fuerte en un protón o un neutrón y un pión.

Existen tanto resonancias mesónicas como bariónicas . Las resonancias deltas son bariónicas. Las resonancias deltas son bariónicas. (También están las resonancias mesónicas rho, P).

Las resonancias parecen ser solamente una especie de versión excitada de los Hadrones estable. Son réplicas que rotan más rápidamente de lo normal o que vibran de diferente manera. Análogamente a lo que sucede cuando golpeamos un gong, que emite sonido mientras pierde energía hasta que finalmente cesa de vibrar, una resonancia termina su existencia emitiendo piones, según se transforma en una forma más estable de materia.

Por ejemplo, la desintegración de una resonancia ∆ (delta) que se desintegra por una interacción fuerte en un protón o neutrón y un pión, por ejemplo:

∆⁺⁺→р + π⁺;  ∆⁰→р + πˉ; o п+π⁰

En la desintegración de un neutrón, el exceso de energía-masa es sólo 0,7 MeV, que se puede invertir en poner en movimiento un protón, un electrón y un neutrino. Un Núcleo radiactivo generalmente tiene mucha menos energía a su disposición.

El estudio de los componentes de la materia tiene una larga historia en su haber, y, muchos son los logros conseguidos y muchos más los que nos quedan por conseguir, ya que, nuestros conocimientos de la masa y de la energía (aunque nos parezca lo contrario), son aún bastante limitados, nos queda mucho por descubrir antes de que podamos decir que dominamos la materia y sabemos de todos sus componentes. Antes de que eso llegue, tendremos que conocer, en profundidad, el verdadero origen de la Luz que esconde muchos secretos que tendremos que desvelar.

                                                            Los del LHC también buscan la “materia oscura”

Esperemos que con los futuros experimentos del LHC y de los grandes Aceleradores de partículas del futuro,  se nos aclaren algo las cosas y podamos avanzar en el perfeccionamiento del Modelo Estándar de la Física de Partículas que, como todos sabemos es un Modelo incompleto que no contiene a todas las fuerzas de la Naturaleza y, cerca de una veintena de sus parámetros son aleatorios y no han sido explicados. Uno de ellos, el Bosón de Higgs, dicen que ha sido encontrado. Sin embargo, a mí particularmente me quedan muchas dudas al respecto.

emilio silvera