Partículas “bellas” de materia y antimateria

El Tiempo es inexorable y su transcurrir va dejando atrás las cosas que del presente, van situandose en el pasado. Lejos queda ya aquellas efemérides y celebraciones del año 2009, cuando se conmemoró el Año Internacional de la Astronomía y me cupo el honor de (humildemente), colaborar con aquellas celebraciones.

Astrolabio de al-Sahli, del siglo XI (M.A.N., Madrid). El astrolabio es un antiguo instrumento que permite determinar la posición y altura de las estrellas sobre la bóveda celeste. El astrolabio era usado por los navegantes, astrónomos y científicos en general para localizar los astros y observar su movimiento, para determinar la hora a partir de la latitud o, viceversa, para averiguar la latitud conociendo la hora. También sirve para medir distancias por triangulación.

Con orgullo luzco en el ojal de mi chaqueta el astrolabio que nos dieron en Madrid, a todos los invitados, a la fiesta de inauguración en la que estaban presentes muchos astrónomos y astrofísicos del mundo entero. el acto fue inaugurado por el entonces Príncipe de España (hoy el Rey).

        Esto es lo que queda cuando una estrella como el Sol muere. Una Nebulosa planetaria de materiales ionizados por la fuerte radiación ultra-violeta de la estrella enana blanca en la que se ha convertido.

 ¿Cuántas veces expliqué en aquellas charlas por Institutos y Universidades todos y cada uno de los fenómenos que tenían que suceder para que, estrellas como el Sol, se convirtieran en Enanas blancas y Nebulosas planetarias?

Lo cierto es que, en su momento, ya desde el inicio del año 2.009 en el que se celebró el Año Internacional de la Astronomía, en muchos de mis artículos publicados en la colaboración que con la Organización Internacional tuve el honor de prestar, se hablaba de todos esos interesantes temas que el universo nos presenta y que, inciden en el saber de la Naturaleza y del Mundo que nos acoge que, como nosotros… ¡También es/somos Universo!

                                                      LA QUÍMICA DE LAS ESTRELLAS

Los cambios se estaban produciendo a una velocidad cada vez mayor. Al siglo de Newton también pertenecieron, entre otros, el matemático Fermat; Römer, quien midió la velocidad de la luz; Grimaldi, que estudió la difracción; Torricelli, que demostró la existencia del vacío; Pascal y Boyle, que definieron la física de los fluidos…La precisión de los telescopios y los relojes aumentó notablemente, y con ella el número de astrónomos deseosos de establecer con exactitud  la posición de las estrellas y compilar catálogos estelares cada vez más completos para comprender la Vía Láctea.

La naturaleza de los cuerpos celestes quedaba fuera de su interés: aunque se pudiera determinar la forma, la distancia, las dimensiones y los movimientos de los objetos celestes, comprender su composición no estaba a su alcance. A principios del siglo XIX, William Herschel (1738-1822), dedujo la forma de la Galaxia, construyó el mayor telescopio del mundo y descubrió Urano. Creía firmemente que el Sol estaba habitado.

                                               Hasta llegar a conocer nuestra situación astronómica…

Al cabo de pocos años, nacía la Astrofísica, que a diferencia de la Astronomía (ya llamada  -”clásica o de posición”-), se basaba en pruebas de laboratorio. Comparando la luz emitida por sustancias incandescentes con la recogida de las estrellas se sentaban las bases de lo imposible: descubrir la composición química y la estructura y el funcionamiento de los cuerpos celestes. Estaba mal vista por los astrónomos “serios” y se desarrolló gracias a físicos y químicos que inventaron nuevos instrumentos de análisis a partir de las demostraciones de Newton sobre la estructura de la luz.

En 1814, Joseph Fraunhofer (1787-1826) realizó observaciones básicas sobre las líneas que Wollaston había visto en el espectro solar: sumaban más de 600 y eran iguales a las de los espectros de la Luna y de los planetas; también los espectros de Póux, Capella y Porción son muy similares, mientras que los de Sirio y Cástor no lo son. Al perfeccionar el  espectroscopio con la invención de la retícula de difracción (más potente y versátil que el prisma de cristal), Fraunhofer observó en el espectro solar las dos líneas del sodio: así se inició el análisis espectral de las fuentes celestes.

Mientras, en el laboratorio, John Herschel observó por primera vez la equivalencia entre los cuerpos y las sustancias que los producen, Anders J. Anhström (1814-1868) describía el espectro de los gases incandescentes y los espectros de absorción y Jean Foucault (1819-1874) comparó los espectros de laboratorio y los de fuentes celestes. Gustav Kirchhoff (1824-1887) formalizó las observaciones en una sencilla ley que cambió la forma de estudiar el cielo; “La relación entre el poder de emisión y de absorción para una longitud de onda igual es constante en todos los cuerpos que se hallan a la misma temperatura”. En 1859, esta ley empírica, que relacionaba la exploración del cielo con la física atómica, permitía penetrar en la química y la estructura de los cuerpos celestes y las estrellas. De hecho, basta el espectro de una estrella para conocer su composición. Y, con la espectroscopia, Kirchhoff y Robert Bunsen (1811-1899) demostraron que en el Sol había muchos metales.

La observación del Sol obsesionó a la mayoría de los Astrofísicos. A veces, resultaba difícil identificar algunas líneas y ello condujo a descubrir un  nuevo elemento químico; se empezó a sospechar que el Sol poseía una temperatura mucho más elevada de lo imaginado. La línea de emisión de los espectros de estrellas y nebulosas demostraron  que casi un tercio de los objetos estudiados eran gaseosos. Además, gracias al trabajo de Johan Doppler (1803-1853) y de Armand H. Fizeau (1819-1896), que demostró que el alejamiento o el acercamiento respecto al observador de una fuente de señal sonora o luminosa provoca el aumento o disminución de la longitud de onda de dicha señal, empezó a precisarse la forma de objetos lejanos. El cielo volvía a cambiar y hasta las “estrellas fijas” se movían.

                                    EL DIAGRAMA HR: EL CAMINO HACIA EL FUTURO

El padre Ángelo Secchi (1818-1878) fue el primero en afirmar que muchos espectros estelares poseen características comunes, una afirmación refrendada hoy día con abundantes datos. Secchi clasificó las estrellas en cinco tipos, en función del aspecto general de los espectros. La teoría elegida era correcta: el paso del color blanco azulado al rojo oscuro indica una progresiva disminución de la temperatura, y la temperatura es el parámetro principal que determina la apariencia de un espectro estelar.

Más tarde, otros descubrimientos permitieron avanzar en Astrofísica: Johann Balmer (1825-1898) demostró que la regularidad en las longitudes de onda de las líneas del espectro del hidrógeno podía resumirse en una sencilla expresión matemática; Pieter Zeeman (1865-1943) descubrió que un campo magnético de intensidad relativa influye en las líneas espectrales de una fuente subdividiéndolas en un número de líneas proporcional a su intensidad, parámetro que nos permite medir los campos magnéticos de las estrellas.

En otros descubrimientos empíricos la teoría surgió tras comprender la estructura del átomo, del núcleo atómico y de las partículas elementales. Los datos recogidos se acumularon hasta que la física y la química dispusieron de instrumentos suficientes para elaborar hipótesis y teorías exhaustivas.

Gracias a dichos progresos pudimos asistir a asociaciones como Faraday y su concepto de “campo” como “estado” del espacio en torno a una “fuente”; Mendeléiev y su tabla de elementos químicos; Maxwell y su teoría electromagnética;  Becquerel y su descubrimiento de la radiactividad; las investigaciones de Pierre y Marie Curie; Rutherford y Soddy y sus experimentos con los rayos Alfa, Beta y Gamma; y los estudios sobre el cuerpo negro que condujeron a Planck a determinar su constante universal; Einstein y su trabajo sobre la cuantización de la energía para explicar el efecto fotoeléctrico, Bohr y su modelo cuántico del átomo; la teoría de la relatividad especial de Einstein que relaciona la masa con la energía en una ecuación simple…Todos fueron descubrimientos que permitieron explicar la energía estelar y la vida de las estrellas, elaborar una escala de tiempos mucho más amplia de lo que jamás se había imaginado y elaborar hipótesis sobre la evolución del Universo.

En 1911, Ejnar Hertzsprung (1873-1967) realizó un gráfico en el que comparaba el “color” con las “magnitudes absolutas” de las estrellas y dedujo la relación entre ambos parámetros. En 1913, Henry Russell (1877-1957) realizó otro gráfico usando la clase espectral en lugar del color y llegó a idénticas conclusiones.

El Diagrama de Hertzsprung-Russell (diagrama HR) indica que el color, es decir, la temperatura, y el espectro están relacionados, así como el tipo espectral está ligado a la luminosidad. Y debido a que esta también depende de las dimensiones de la estrella, a partir de los espectros puede extraerse información precisa sobre las dimensiones reales de las estrellas observadas. Ya solo faltaba una explicación de causa-efecto que relacionara las observaciones entre si en un cuadro general de las leyes.

El progreso de la física y de la química resolvió esta situación, pues, entre otros avances, los cálculos del modelo atómico de Bohr reprodujeron las frecuencias de las líneas del hidrógeno de Balmer. Por fin, la Astrofísica había dado con la clave interpretativa de los espectros, y las energías de unión atómica podían explicar el origen de la radiación estelar, así como la razón de la enorme energía producida por el Sol.

Las líneas espectrales dependen del número de átomos que las generan, de la temperatura del gas, su presión, la composición química y el estado de ionización. De esta forma pueden determinarse la presencia relativa de los elementos en las atmósferas estelares, método que hoy también permite hallar diferencias químicas muy pequeñas, relacionadas con las edades de las estrellas. Así, se descubrió que la composición química de las estrellas era casi uniforme: 90 por ciento de hidrógeno y 9 por ciento de helio (en masa, 71% y 27%, respectivamente). El resto se compone de todos los elementos conocidos en la Tierra.

Así mismo, el desarrollo de la Física ha permitido perfeccionar los modelos teóricos y explicare de forma coherente que es y como funciona una estrella. Dichos modelos sugirieron nuevas observaciones con las que se descubrieron tipos de estrellas desconocidas: las novas, las supernovas, los púlsares con periodos o tiempos que separan los pulsos, muy breves…También se descubrió que las estrellas evolucionan, que se forman grupos que luego se disgregan por las fuerzas de marea galácticas.

La Radioastronomía, una nueva rama de la Astronomía, aportó más datos sobre nuestra Galaxia, permitió reconstruir la estructura de la Vía Láctea y superar los límites de la Astronomía óptica.

Se estaban abriendo nuevos campos de estudio: los cuerpos galácticos, los cúmulos globulares, las nebulosas, los movimientos de la galaxia y sus características se estudiaron con ayuda de instrumentos cada vez más sofisticados. Y cuanto más se observaba más numerosos eran los objetos desconocidos descubiertos y más profusas las preguntas. Se descubrieron nuevos y distintos tipos de galaxias fuera de la nuestra; examinando el efecto Doppler, se supo que todas se alejaban de nosotros y, lo que es más, que cuanto más lejanas están más rápidamente se alejan.

                                          El Telescopio Hubble nos muestra esta imagen del Universo Profundo

Acabábamos de descubrir que el Universo no terminaba en los límites de la Vía Láctea, sino que se había ampliado hasta el “infinito”, con galaxias y objetos cada vez más extraños. Sólo en el horizonte del Hubble se contabilizan 500 millones de galaxias. Y los descubrimientos continúan: desde el centro galáctico se observa un chorro de materia que se eleva más de 3.000 a.l. perpendicular al plano galáctico; se observan objetos como Alfa Cygni, que emite una energía radial equivalente a diez millones de veces la emitida por una galaxia como Andrómeda; se estudian los cuásares, que a veces parecen mas cercanos de lo que sugieren las mediciones del efecto Doppler; se habla de efectos de perspectiva que podrían falsear las conclusiones… Y nos asalta una batería de hipótesis, observaciones, nuevas hipótesis, nuevas observaciones, dudas…

Todavía no se ha hallado una respuesta cierta y global. Un número cada vez mayor de investigadores está buscándola en miles de direcciones. De esta forma se elaboran nuevos modelos de estrellas, galaxias y objetos celestes que quizá sólo la fantasía matemática de los investigadores consiga concretar: nacen los agujeros negros, los universos de espuma, las cadenas…

Los fullerenos fueron descubiertos por Harold W. Kroto y Richard Smalley  en el espacio exterior, por cuyo hallazgo fueron galardonados con el Premio Nóbel de Química en 1996. Posteriormente se han ido descubriendo y caracterizando otros fullerenos, formados por menor o mayor número de átomos de carbono (desde 20 átomos hasta varios cientos).

Los primeros nanotubos se observaron en 1991: cuando el físico japonés Sumio Iijima empleaba un sistema de evaporación mediante arco eléctrico, típico para la obtención de fullerenos, observó la formación de agujas de hasta 1 mm de longitud sobre el cátodo de grafito.

Encontrsar Grafeno en el espacio ya no es una sorpresa, toparnos de bruces con océanos de metano… ¡tampoco!, hallar colonias de bacterias vivienda a muchos kilómetros de altura no es una niovedad, saber que en las estrellas se fabrican los materiales aptos para hacer posible la química de la vida… nos maravilla pero ya, no es causa de asombro. Cada día damos un paso más hacia el saber del “mundo”, de la Naturaleza, del Universo en fin.

En la actualidad, el número de investigadores centrados en problemas relacionados con la evolución estelar, la Astrofísica y las teorías cosmo-genéticas es tan elevado que ya no tiene sentido hablar de uno en particular, ni de un único hilo de investigación. Al igual que ocurre con otras ramas científicas las Astronomía se ha convertido en un trabajo de equipo a escala internacional que avanza sin cesar en una concatenación de innovaciones, inventos, nuevos instrumentos, interpretaciones cada vez más elaboradas y, a menudo más difíciles de entender incluso para los investigadores que avanzan con infinidad de caminos paralelos. Es una situación que ya vaticinaba Bacon en tiempos de Galileo.

Las estrellas, como casi cualquier entidad física, siguen un proceso de nacimiento, evolución y muerte. A diferencia de nosotros, la vida de una estrella se eleva a millones o miles de millones de años dependiendo de sus masas iniciales, a mayor masa menor tiempo de vida.

Hasta la Astronomía se ha hiperespecializado y, por ejemplo, quienes estudian problemas particulares de la física de las estrellas pueden desconocerlo todo sobre planetas y galaxias. También el lenguaje es cada vez más técnico, y los términos, capaces de resumir itinerarios de investigación, son complejos de traducir al lenguaje común. Así, mientras la divulgación avanza a duras penas entre una jungla de similitudes y silogismos, las informaciones que proceden de otras disciplinas son aceptadas por los científicos y los resultados de cada cual se convierten en instrumentos para todos.

La observación del Sol obsesionó a la mayoría de los Astrofísicos. A veces, resultaba difícil identificar algunas líneas y ello condujo a descubrir un nuevo elemento químico; se empezó a sospechar que el Sol poseía una temperatura mucho más elevada de lo imaginado. La línea de emisión de los espectros de estrellas y nebulosas demostraron que casi un tercio de los objetos estudiados eran gaseosos. Además, gracias al trabajo de Johan Doppler (1803-1853) y de Armand H. Fizeau (1819-1896), que demostró que el alejamiento o el acercamiento respecto al observador de una fuente de señal sonora o luminosa provoca el aumento o disminución de la longitud de onda de dicha señal, empezó a precisarse la forma de objetos lejanos. El cielo volvía a cambiar y hasta las “estrellas fijas” se movían.

Las investigaciones sobre planetas, estrellas, materia interestelar, galaxias y Universo van paralelas, como si fueran disciplinas independientes, pero en continua osmosis. Y mientras la información sobre el Sol y los cuerpos del Sistema solar es más completa, detallada y fiable, y las hipótesis sobre nuestra Galaxia hallan confirmación, el Universo que empezamos a distinguir más allá de nuestros limites no se pareced a lo que hace un siglo se daba por sentado. Y mientras los modelos matemáticos dibujan uno o mil universos cada más abstractos y complejos, que tienen más que ver con la filosofía que con la observación, vale la pena recordar como empezó nuestro conocimiento hace miles de años.

Otros nos indicaron la dirección a seguir pero, la dureza del camino…, esa, la tuvimos que hacer nosotros. Es decir, en cada época y lugar, los que estuvieron, miraron hacia atrás para ver lo que hicieron sus ancestros y, con aquellas enseñanzas, tener la guía del camino a seguir, o, por el contrario, si los resultados no fueron buenos, rechazarlos. Lo cierto es que, al igual que nosotros, los que vengan detrás partirán con alguna ventaja aunque tengan que hacer su propio recorrido que, ni mucho menos tienen el camino despejado y, la niebla de la ignorancia sigue siendo espesa, aunque algo más suave que la que nosotros nos encontramos.

Ahora, amigos, después de este breve repaso por una pequeña parte de la Historia de la Astronomía, al menos tendréis una idea más cercana  del recorrido que, la Humanidad, ha tenido que realizar para conocer mejor el Universo.

Los datos aquí reseñados tienen su origen en diversas fuentes que, de aquí y de allá, han sido tomadas para recomponer un mensaje que les lleve a todos algunos mensajes de como ocurrieron los acontecimientos en el pasado para que fuera posible nuestro presente.

emilio silvera

Los hallazgos más importantes realizados en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) se anuncian primero en seminarios destinados a científicos y no en multitudinarias ruedas de prensa. Así ocurrió por ejemplo cuando se descubrió el bosón de Higgs. Y no es para menos: esta partícula completó por fin el Modelo Estándar de la Física, el marco teórico con el que se explica el comportamiento del Universo a través de cuatro fuerzas o interacciones fundamentales y de un puñado de partículas. Pero también se convocó uno de estos seminarios cuando los análisis sugirieron en 2016 la existencia de una nueva partícula que en realidad era una decepción.

“Un pentaquark es una partícula subatómica hipotética compuesta por un grupo de cinco, cuatro quarks y un antiquark ligados juntos, por lo que es rara respecto a los tres quarks normales de los bariones y a los dos de los mesones.”

Este mismo martes se celebró otro de estos seminarios en el CERN. Los científicos han sido tan cautelosos como siempre, y han dejado claro que serán necesarias más observaciones para confirmarlo. Pero los investigadores de uno de los experimentos del Gran Colisionador de Partículas (LHC), el LHCb, han anunciado el hallazgo de fuertes evidencias de la existencia de una discrepancia con el Modelo Estándar de la Física. Esto puede querer decir que en la materia existe una partícula desconocida que podría romper los esquemas de la Física actual.

            «Sería la primera vez que logramos ver algo que va más allá del Modelo Estándar»

«Si esto se confirmara estaríamos ante la primera pieza de un nuevo gran puzle», ha explicado a ABC Joaquim Matias, un físico teórico de la Universidad Autónoma de Barcelona y del IFAE (Instituto de Física de Altas Energías). «Sería la primera vez que logramos ver algo que va más allá del Modelo Estándar. El impacto sería brutal».

A día de hoy el Modelo Estándar de la Física es incapaz de explicar cosas como el origen de la materia oscura o la asimetría entre materia y anti-materia. Por eso los físicos siguen empeñados en hacer chocar partículas a altas velocidades y en observar los efectos de su destrucción, en busca de nuevas partículas y fuerzas que puedan ayudar a completar el puzle.

Hacerlo requiere usar complejísimas instalaciones y modelos matemáticos. Los físicos han de trabajar con los resultados de millones de colisiones y fluctuaciones energéticas y desechar los posibles efectos del ruido o de los errores experimentales.

La clave, en los mesones B

En esta ocasión, el posible hallazgo de la revolucionaria partícula no se ha conseguido en los grandes detectores del LHC, los ATLAS y CMS, sino en el más pequeño LHCb. Este se encarga de estudiar a una familia de partículas muy concretas: los mesones B.

¿Qué son estos mesones? Son partículas compuestas a su vez por otras partículas fundamentales, conocidas como quarks, que son, entre otras cosas, los constituyentes de los más familiares protones. Pues bien, lo interesante de estos mesones es que se descomponen en apenas nanosegundos y que en el camino liberan energía y partículas que son muy interesantes para los físicos, porque quizás podrían dar información sobre lo que hay más allá del Modelo Estándar.

                                                 

Este gran modelo predice qué debe ocurrir al descomponer un mesón B. Pero ahora, los investigadores han obtenido evidencias sólidas de que en su laboratorio los mesones no se han comportado como se esperaba. Eso podría querer decir que han cometido algún error o bien que han encontrado las huellas de una nueva partícula que contradice lo que se daba por sentado hasta ahora.

«Segun el Modelo Estándar, cuando se descompone un mesón B se desintegra en una particula vectorial llamada K* y en una pareja de muón (parecida a un electrón pero con más masa) y anti-muón (igual que un muón pero con carga opuesta) con la misma frecuencia que a una pareja electrón y positrón (igual que un electrón pero con carga opuesta», ha dicho Joaquim Matías.

Es decir, de acuerdo con una especie de principio democrático, conocido como «universalidad del sabor de los leptones», en un 50 por ciento de los casos se produciría una pareja y en otro 50 por ciento la otra. Pero los investigadores del CERN han visto que se suele formar más un tipo de dúo que el otro. Por eso se dice que han hallado indicios de una violación del principio de la universalidad de los leptones y, por ende, del Modelo Estándar.

Una posible nueva partícula: el bosón Z´

«Si confirmáramos esta violación, tendríamos una clara dirección en la que buscar la nueva Física. Tendríamos que descartar todos los modelos que cuentan con ese principio de la universalidad, lo que tendría un gran impacto», ha aclarado el investigador.

Además, esto incorporaría una nueva partícula al repertorio de los físicos, y que se llamaría bosón Z´. Sería cercana al bosón Z, una de las partículas fundamentales que explica la interacción débil, una fuerza que se manifiesta en los núcleos de los átomos. Al mismo tiempo, otros ya han propuesto una explicación alternativa, centrada en un lepton-quark, una nueva partícula que transmite información entre leptones y quarks, tal como ha informado Science.

¿Se debe dudar de esto?

¿Hasta qué punto se debe confiar o dudar de estos hallazgos? los científicos del CERN han evaluado la seguridad de que los resultados se deban a la existencia de un nuevo fenómeno por descubrir o a una jugarreta del azar. Después de hacerlo, han obtenido un nivel de significacion sigma de tres, lo que para los físicos quiere decir que están ante una evidencia de que están observando algo interesante. Sin embargo, los datos aún no han permitido llegar al nivel de significación de cinco, que es el que le corresponde a los descubrimientos, como el bosón de Higgs.

Pero hay más señales de que los físicos están ante algo grande. Otros experimentos realizados en 2013 y 2015 por parte del LHCb y por otros instrumentos, como el ATLAS, el CMS y el Belle (en Japón), también analizaron la descomposición de estos mesones B. Al considerar todos estos datos en conjunto, el equipo de Joaquim Matias ha obtenido un nivel sigma de cinco para estas anomalías, tal como han publicado este miércoles en arXiv.org, un portal donde se publican artículos científicos antes de ser revisados por editores de revistas.

Según Matias, hay varios motivos para esperar la importante confirmación o descarte de estos resultados este mismo año. Muchos experimentadores ya han dicho que tratarán de estudiarlo tan pronto como sea posible. Entre ellos están los científicos del LHCb. En su favor está el hecho de que obtuvieron las evidencias presentadas recientemente con datos recogidos entre 2011 y 2012, y que ahora tienen a su disposición la información recogida entre 2012 y 2013. De hecho, responsables del CERN anunciaron que van a tratar de profundizar en estos experimentos este mismo año. Por último, a partir del año que viene el experimento Belle 2, en Japón, contará con un instrumental muy sofisticado y sensible para hacer este tipo de experimentos.

La explosión científica ya se ha desatado. Algo muy grande podría descubrirse este mismo año.