Lo que surge de eso que llamamos vacío

Aunque pequemos de reabundancia, en esta sección vamos a volver a tratar algunas descripciones que ya hemos tocado anteriormente, especialmente cuando hablamos del modelo estándar.

Cualquier grupo partículas que anden rondando por ahí presentan una o más de las siguientes interacciones o fuerzas fundamentales entre ellas. Por un lado se tiene la gravitación y el electromagnetismo, muy conocidas en nuestra vida cotidiana. Pero hay otras dos fuerzas, que no son tan familiares, que son de tipo nuclear y se conocen como interacciones fuertes y débiles.

La gravitación afecta a todas las partículas, es una interacción universal. Todo cuerpo que tiene masa o energía está sometido a esta fuerza. Aunque es la más débil de las interacciones, como las masas son siempre positivas y su alcance es infinito, su efecto es acumulativo. Por ello, la gravitación es la fuerza más importante en cosmología.

La fuerza electromagnética se manifiesta entre partículas con cargas eléctricas. A diferencia de las demás, puede ser de atracción (entre cargas de signos opuestos) o de repulsión (cargas iguales). Esta fuerza es responsable de la cohesión del átomo y las moléculas. Mantiene los objetos cotidianos como entidades con forma propia. Un vaso, una piedra, un auto, el cuerpo humano. Es mucho más fuerte que la gravitación y aunque es de alcance infinito, las cargas de distinto signo se compensan y sus efectos no operan a grandes distancias. Dependiendo de las circunstancias en que actúen, estas interacciones pueden manifestarse como fuerzas eléctricas o magnéticas solamente, o como una mezcla de ambos tipos.

La interacción nuclear o subatómica débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón. Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño, sólo del orden de 10^-15 [cm].

“La fuerza nuclear débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física a través de las cuales las partículas interactúan entre sí, junto con la fuerza fuerte, la gravedad y el electromagnetismo. En comparación con el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil tiene una intensidad mucho más débil, por lo que se le conoce como fuerza nuclear débil. La teoría de la fuerza débil fue propuesta por primera vez por Enrico Fermi en 1933 y se conocía en ese momento como la interacción de Fermi. La fuerza débil está mediada por dos tipos de bosones gauge : el bosón Z y el bosón W.

La interacción débil juega un papel clave en la desintegración radiactiva , la violación de la simetría de paridad y la simetría CP, y el cambio de sabor de los quarks (como en la desintegración beta).”

La interacción fuerte es responsable de la cohesión de los núcleos atómicos. Tiene la intensidad más elevada de todas ellas, pero es también de corto alcance: del orden de 10^-13 [cm].

Ahora bien, contamos con la posibilidad de caracterizar las intensidades de las interacciones por un número de acoplamiento a, sin dimensión, lo que permite compararlas directamente:

FUERTE: a_s = 15
ELECTROMAGNÉTICAS: a = 7,3 x 10^-3
DÉBIL: a_w = 3,1 x 10^-12
GRAVITACIONAL: a_G = 5,9 x 10^-39

La mecánica cuántica considera que la interacción de dos partículas se realiza por el intercambio de otras llamadas «virtuales». Tienen ese nombre porque no son observables: existen por un tiempo brevísimo, tanto más corto cuanto mayor sea su masa, de manera tal que no sea el Principio de Incertidumbre de Heisenberg de la teoría cuántica. Normalmente desaparecen antes de que haya tiempo para que su interacción con otras partículas delate su existencia.

Dos partículas interactúan al emitir una de ellas una partícula virtual que es absorbida por la otra. Su emisión y absorción cambia el estado de movimiento de las originales: están en interacción. Mientras menos masa tiene la partícula virtual, más lejos llega, mayor es el rango de la interacción. El alcance de la interacción es inversamente proporcional a la masa de la partícula portadora o intermedia. Por ejemplo, la partícula portadora de la fuerza electromagnética es el fotón, de masa nula y, por lo tanto, alcance infinito. La interacción gravitacional también tiene alcance infinito y debe corresponder a una partícula de masa nula: se le denomina «gravitón» (nunca cazado). Naturalmente tiene que ser neutro.

A las fuerzas nucleares se les asocian también partículas portadoras. Para la interacción débil estas partículas se llaman «bosones intermedios», denominados como W⁺, W^– y Z⁰ (neutro). El W^– es antipartícula del W⁺. Los W tienen masas elevadas comparadas con las otras partículas elementales. Los bosones tienen espín entero, como el fotón y el gravitón, pero con masas nulas. Lo de bosones es en honor a Styendra Nath Bose (físico hindú, 1894-1974). Las fuerzas fuertes son mediadas por unas partículas conocidas como «gluones», de los cuales habría ocho. Sin embargo, ellos no tienen masa, pero tienen algunas de las propiedades de los quarks como veremos a continuación.

Sabemos que el núcleo de un átomo está formado de protones y neutrones y, éstos a su vez, lo están de quarks que, como ya lo hemos visto, son indivisibles. Ahora bien, la especie de «goma de pegar» que matiene unido el núcleo está constituida por las misteriosas partículas que ya hemos mencionado con el nombre de «gluones» y, si somos orgullosos de nuestro idioma el castellano, perfectamente lo podríamos llamar «gomones». Por su parte, es al popular fotón a quién le corresponde, dentro de los «ligamentos» del átomo, unir el núcleo con los electrones.

Los gluones son unas partículas cuánticas de espín igual a uno. Es interesante destacar que, desde el punto de vista de la teoría relativista del campo cuántico, los gluones existen debido a la simetría.

Tengamos presente que cada partícula cuántica tiene asociado un campo. Los campos asociados con los gluones son los campos de medida de Yang-Mills. En secciones precedentes expliqué cómo puede deducirse matemáticamente la existencia de campos de Yang-Mills si postulamos la existencia de una simetría «interna»; no sólo globalmente en el conjunto del espacio-tiempo, sino localmente, en cada punto del espacio-tiempo. Exigir esa simetría interna local entrañará la existencia de un campo de medida de Yang-Mills, y los cuantos de ese campo son los gluones. Los gluones son, por tanto, consecuencia de la simetría.

En su papel de mediadores de las interacciones entre quarks y leptones, los gluones pueden considerarse partículas cuánticas que se intercambian otras dos partículas cuánticas igual que una pelota que se lanzan dos jugadores. Los gluones tienen una fuerza de pegar característica respecto a los quarks y a los leptones que mide su adherencia: la fuerza con que los gluones se adhieren a las otras partículas. Esa fuerza de acoplamiento de los gluones es proporcional a las diferentes cargas (generalizaciones de la idea de carga eléctrica) que poseen los quarks y los electrones. Por ejemplo, el fotón, partícula de luz, es un gluón, y se acopla a la carga eléctrica de otras partículas con una fuerza proporcional a esa carga. Pero hay otros gluones que se acoplan a otros tipos de carga.

Por otra parte, en las investigaciones se ha podido concluir que los gluones que se intercambian las partículas cuánticas son responsables de todas las fuerzas de la naturaleza. Cada una de las tres fuerzas descritas en el modelo estándar (la fuerte, la electromagnética y la débil) tiene una serie asociada de gluones y una teoría matemática de campo que describe sus interacciones. La fuerte, que une los quarks, se desarrolla a través de una serie de ocho «gluones coloreados» y se describe matemáticamente mediante la teoría de campo denominada cromo-dinámica cuántica. Las, fuerzas débil y electromagnética operan mediante gluones conocidos como el fotón y el bosón débil (denominados W y Z) y las describe matemáticamente la teoría del campo unificado electro-débil. Examinemos ahora con alguna detención estos gluones y las teorías de campo que expresan sus interacciones.

GLUONES COLOREADOS Y CROMODINÁMICA CUÁNTICA

Los quarks interactúan preferentemente con una serie de ocho gluones «coloreados», Pero, ¿Qué es ese «color»? Se supone que cada quark posee tres cargas llamadas cargas de «color». En realidad, los quarks no son coloreados, pero es conveniente imaginar que cada uno de ellos, como ya lo mencionamos, es rojo, azul o amarillo. Por ejemplo, hay un quark rojo, un quark azul y un quark amarillo.

Los ocho gluones coloreados tienen la propiedad de poder intercambiar las cargas de color de los quarks. Por ejemplo, si un quark rojo interactúa con uno de los ocho gluones coloreados, puede convertirse en un quark azul. Los ocho gluones coloreados no sólo interactúan e intercambian cargas de color entre los quarks, sino también entre sí, intercambiando sus cargas de color.

Ya señalamos que la teoría de campo que expresa matemáticamente las interacciones entre quarks y también los ocho gluones coloreados se la denomina «cromo-dinámica cuántica». Según esta teoría, los gluones coloreados unen a los quarks en pequeños sistemas que pueden identificarse con los hadrones observados. Los estudios de cromo-dinámica cuántica indican que la unión entre quarks debida a gluones coloreados es tan fuerte que jamás se separan, aunque sean desagregados de los hadrones; por eso los quarks existen en un estado de unión permanente dentro de hadrones que hacen la función de bolsa, salvo que sean sometidos, como ha ocurrido, recientemente, en el acelerador de partículas del CERN, a densidades extremas y a temperaturas que superan las 100.000 veces la del centro del Sol; entonces, en esas condiciones se produce el fenómeno del desconfinamiento y por un brevísimo tiempo quedan libres de los protones y neutrones que los mantenían aprisionados.

Mediante la colisión de núcleos de plomo se ha podido conseguir temperaturas y densidades tan extremas que permitieron a los investigadores del CERN hallar el estado de la materia propugnado por la teoría: «una sopa de quarks y gluones.

¿Qué sucede si intentamos liberar un quark de su prisión hadrónica? Bueno, en ese momento aparece lo que se llama plasma «una sopa de quarks y gluones» -no sé si sabrosa- que equivale al estado en que se encontraba la naturaleza diez microsegundo después del gran estallido que dio origen al universo. Pero si no se da las condiciones de temperatura y densidad que hemos mencionado, cuando se intenta sacar un quark del interior de un hadrón, se da el hecho que la fuerza de los gluones coloreados aumenta con la distancia. Esto significa que sin la temperatura y densidad de que hemos hablado, cada vez resulta más difícil separarlos. En esas condiciones, en consonancia con la equivalencia masa-energía de Einstein, la energía de los gluones coloreados que une los quarks se transforma en una pareja de quark y antiquark de gran masa, cada uno de los cuales se convierte luego en parte de un hadrón. ¡En vez de liberar un quark acabamos creando dos hadrones!

La cromo-dinámica cuántica, además de explicar el confinamiento quárquico, explica el modelo quárquico de los hadrones: aporta automáticamente las normas que nos indican qué combinaciones de quarks se unirán para formar hadrones. La idea básica encarnada en la matemática de la cromo-dinámica cuántica es que quarks y gluones, aunque tengan carga coloreada, prefieren formar combinaciones «de color neutro» y sin carga de color. Una forma simple de imaginar esto es suponer que los tres colores de un quark son los tres colores primarios (rojo, azul y amarillo) y que a los tres anti-quarks corresponden los tres colores complementarios. Si se mezclan a partes iguales los tres colores primarios (o sus tres componentes) se obtiene blanco neutro. Así pues, tres quarks de diferentes colores unidos, o tres antiquarks unidos forman una combinación «neutra en cuanto al color». Pero tres quarks unidos forman un barión y tres antiquarks forman un anti-barión. Esta es justamente la norma del modelo quárquico, obtenida aquí por la exigencia de que el color esté «confinado»: sólo pueden existir combinaciones neutras en cuanto al color. Podemos ver después que un color y su complementario forman una mezcla gris: de nuevo una combinación de color neutra. Esto corresponde a combinar un quark con un antiquark para formar un mesón. Vemos que la exigencia de neutralidad o confinamiento de color suministra las normas para formar hadrones. Los quarks y los gluones pueden ser resplandecientes y de brillantes «colores», pero sólo aparecen en combinaciones en blanco y negro que corresponden a los hadrones observados.

La cromo-dinámica cuántica, como teoría de la fuerza que une a los quarks, inició sus primeros pasos a principios de los años setenta, y fue propugnada por un sin número de físicos teóricos. Ellos conocían el modelo quárquico y sabían que la idea quark-color aportaba las reglas precisas para formar hadrones. Ahora, para que se estructurara la cromo-dinámica cuántica, sólo hacia falta una prueba de que la teoría de campo de Yang-Mills de los gluones coloreados era re-normalizable. En cuanto los físicos matemáticos demostraron que teorías de campo como la cromo-dinámica cuántica eran realmente re-normalizables, se desencadenó la emoción: la cromo-dinámica cuántica era una teoría viable.

                                                              

Diagrama de Feynman mostrando el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y ) entre un positrón y un electrón. El fotón no tiene masa, tampoco posee carga eléctrica y no se desintegra espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados

La cromo-dinámica cuántica tiene una serie de simetrías internas que implican la existencia de leyes de conservación de carga, leyes que se manifiestan en las fuertes interacciones de los hadrones. La carga de color es una cantidad conservada, pero dado que todos los hadrones son neutros respecto al color, no hay medio de ver en acción en el laboratorio, esta ley de conservación. Sería como proponer una ley de conservación de la carga eléctrica en un mundo compuesto sólo de partículas eléctricamente neutras: nunca podría observarse ninguna carga eléctrica para comprobar si se conservaba.

Pero hay otras leyes de conservación de la carga que se aplican a los hadrones, que pueden comprobarse en laboratorio. El número de quarks de cada tipo deben conservarse (los anti-quarks se cuentan negativamente). Esto significa que en una interacción entre los hadrones bolsiformes, el número de quarks u y d se mantiene constante. Pueden saltar de un hadrón a otro en el momento del choque, cuando las bolsas se superponen, pero su número total no cambia. Como las antipartículas se cuentan negativamente, la ley de conservación del número de quarks u tiene también en cuenta la creación de un quark u y un anti-quark u a partir de energía pura. Las diversas leyes de la conservación del número de quarks, cuando se aplican a las interacciones fuertes de los hadrones observados, se confirman en miles de experimentos de laboratorio: nadie duda de ellas.

Las interacciones débiles, que ya anteriormente hicimos mención, violan esas diversas leyes de conservación del número de quarks. Por ejemplo, un quark encantado puede convertirse en un quark d por la interacción débil, y esto viola la conservación del número de quarks c y del número de quarks d. Pero hasta la interacción débil preserva la ley de conservación del número total de quarks. El número de quarks menos el de anti-quarks se mantiene estrictamente en el modelo estándar.

Esta ley (en apariencia absoluta) de conservación del número total de quarks, implica una rigurosa ley de conservación en las interacciones hadrónicas correspondientes: la ley de conservación del número bariónico. Los bariones son la familia de hadrones de spin un medio y esta ley significa, en cualquier interacción, que su número total debe conservarse. Dado que el protón es el barión más ligero, ha de ser absolutamente estable como consecuencia de la ley de conservación del número bariónico. No hay ninguna partícula a la que pueda pasarle su carga bariónica, de igual forma que el electrón no tiene ninguna partícula más ligera a la que pasar su carga eléctrica. ¡No deja de ser una gracia! Los protones forman la mayor parte de la masa visible del universo, y si pudieran desintegrarse rápidamente el universo se desintegraría con ellos.

Ya mencionamos que los gluones, al igual que los quarks, son coloreados y, además, en parejas: un color y un anticolor. Cuando salen de un quark para entrar en otro, le cambian a éstos su color original. Por ejemplo, un gluón rojo-antiazul cambia un quark rojo en uno anti-azul.

También, y, en ello, diferenciándose de los fotones, los gluones interactúan entre ellos intercambiando, a su vez, gluones. Por ejemplo, un gluón verde-anti-azul interactúa con uno verde-anti-rojo intercambiando un gluón azul-anti-rojo. Lo anterior, para algunos físicos resulta algo engorroso y complicado. Demasiados colores, demasiados antis. Mientras los fotones mensajeros iban y venían trayendo sus noticias sin verse ni molestarse, los gluones tienen tremendas colisiones en sus trayectorias, perturbando la transmisión de la información de un quark a otro, y, de paso, complicando bastante la existencia de los estudiosos investigadores que en sus papeles y pizarrones intentan calcular sus efectos.

Ello, a veces, invita a pensar que el cuadro parece innecesariamente complicado, con aspectos antiestéticos ocultos bajo nombres pintorescos que sirven para distraer un poco la atención. Como cuando bajo una alfombra persa se tapan restos de desperdicios. Se echa de menos la elegancia y simplicidad de las interacciones entre masas y entre cargas eléctricas.

                                                                          

La carga de color de un quark puede tener tres valores diferentes: “rojo”, “verde”, o “azul”; y un anti-quark puede tener tres “anti-colores” diferentes, en ocasiones llamados “anti-rojo”, “anti-verde” y “anti-azul” (a veces representados por cian, magenta y amarillo).

De todas maneras para mí, por lo menos, lo anterior no implica que la cromo-dinámica cuántica está equivocada, pues ha demostrado un poder predictivo bastante impresionante. Un éxito notable fue la predicción del topón, el quark de mayor masa (doscientas mil veces la del electrón). Cuesta tanto que se formen partículas pesadas, cuesta tanto juntar su «emece-cuadrado», la energía mínima que pueden tener, que uno no se topa fácilmente con un topón. Fue necesario acelerar protones y antiprotones a velocidades cercanas a la de la luz, alcanzando una energía unas quinientas mil millones de veces la energía de un fotón visible, y hacerlos estrellarse unos con otros, para poder generar este quark. Aunque predicha su existencia en 1977, sólo se le halló en 1995 en el Laboratorio Fermi, en Illinois, Estados Unidos.

A pesar del éxito, queda siempre la duda sobre su complejidad. Cada uno es dueño de tener su propia impresión al respecto. Pienso que algún día aparecerán simplificaciones sustanciales en esta teoría, lo que, seguramente, llenará de alegría a quienes aspiran a algo más bello y simple.

Al finalizar esta sección, aprovechemos de recordar que una partícula y su antipartícula no pueden coexistir si están muy cerca una de la otra para interactuar. Como ya vimos, si ello ocurre, se destruyen ambas: hay «aniquilación de las partículas». Ello tiene como resultado una radiación electromagnética de alta energía, formada por fotones gamma. Así, si un electrón está cerca de un positrón, ni que hablar, se aniquilan en rayos gamma. Lo mismo sucede con un par protón-antiprotón que se encuentren muy próximos.

Ahora bien, la reacción inversa también se presenta. Se llama «materealización o creación de partículas» de un par partícula-antipartícula a partir de fotones, pero se requieren condiciones físicas extremadamente rigurosas. Es necesario que se creen pares partículas-antipartículas y que los fotones tengan una energía mayor que las masas en reposo de las partículas creadas. Ello, es lo que implica que se requieran fotones de muy alta energía, de acuerdo a la relación de Einstein E = mc². Para dar nacimiento a electrones\positrones es necesario un campo de radiación de temperaturas mayores a 7 x 10⁹ °K. Para hacer lo mismo con pares protón/antiprotón es necesario que ellas sean superiores a 2 x 10¹² °K. Temperaturas de esa magnitud se producen en los primeros instantes del universo.

Texto extraído de Astrocosmo

[?]