La física de partículas y las interacciones fundamentales

                      El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de qué está hecho el mundo?”

Ahora sabemos que, no sólo nuestro mundo, sino todo el inmenso Universo, está hecho de pequeños objetos infinitesimales a las que hemos denominado partículas subatómicas y que forman varias familias. Unas son más elementales que otras y según, a qué familia pertenezcan, atienden o se rigen por una u otra fuerza elemental.

Son los constituyentes fundamentales de toda la materia del Universo (por lo menos de toda la materia conocida y que podemos detectar formando estrellas y mundos, galaxias o seres vivos). Hemos podido llegar a saber que, de esas briznas de materia se forman los núcleos que, rodeados de electrones conforman los átomos de la materia.

Los grupos de  átomos conforman las moléculas que son las unidades fundamentales de los compuestos químicos pero, comencemos por los núcleos atómicos:

Muchas son las veces que aquí mismo he podido explicar, que los quarks u y d se hallan en el interior de los nucleones y, por tanto, su hábitat está en los núcleos atómicos donde se encuentran confinados y, en realidad, no intervienen directamente  en las propiedades de los núcleos. Sin embargo, no podemos olvidar que la fuerza nuclear fuerte está ahí reteniendo a los quarks por medio de los gluones y, eso hace que, el núcleo sea estable.

El núcleo atómico es de carga positiva y está compuesto por nucleones. Los nucleones se dividen en protones y nucleones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva mientras que los neutrones tienen una carga neutra. La importancia del núcleo atómico radica en que constituye la mayor parte de un átomo y sus protones indican el tipo de elemento químico que se observa.

En el núcleo atómico se reúne toda la carga positiva y la masa del átomo. El núcleo atómico se caracteriza por poseer casi la masa total de un átomo (más de 99%).

 

Los núcleos atómicos constituyen un tipo de materia que, aisladamente, de forma individual (si exceptuamos el protón), siempre están en ambientes muy energéticos, por ejemplo, en el interior de las estrellas. En nuestro entorno terráqueo, es raro encontrar núcleos aislados, sino parcial o totalmente confinados dentro de los átomos.

Sabemos que el número de especímenes atómicos es limitado, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya señalé en otros escritos que, el número de especies atómicas, naturales y artificiales, es de unos pocos miles, en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprenden unos pocos millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a la síntesis que se lleva a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

                       Fórmula química y modelo molecular de Hidrógeno, Agua, amoníaco, metano….

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por un conjunto de núcleos y sus  electrones. La molécula más sencilla es la de Hidrógeno que tiene dos electrones, hasta las más complejas como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existen toda una gama de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares o atómicas. Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco más, se podría admitir que la citada información la aportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales los que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones “corticales”.

                                                                          Orbitales atómicos

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de intensidad y densidad eléctrica, con valles, cimas y collados, es decir, curvas isoeléctricas equivalentes formalmente a las de nivel en topografía. Parece razonable suponer que cuanto más diversos sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser la información que pueda soportar. La enorme diversidad de formas, colores, comportamientos, que acompañan a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas. Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas). La inmensa mayoría de ellas contienen Carbono. Debido a su tetra-valencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

Molécula de Carbono

Molécula de Silicio

                       Molécula de Fósforo                                   Molécula de Boro

Sí, lo sé, el Carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Cercanos al Carbono en la Tabla Periódica de Elementos, el Silicio, Fósforo y Boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor. Si nos referimos al Silicio, diremos que las moléculas que dicho átomo forma con el Oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos, poseyendo gran nivel de información, difieren, en varios aspectos, de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de Carbono. El mundo de los silicatos es de una gran diversidad, existiendo centenares de especies minerológicas.

Esas diferencias se refieren, fundamentalmente, , a que el enlace químico en el caso de las moléculas orgánicas es covalente, y cuando se forma la sustancia correspondiente (cuatrillones de moléculas) o es un líquido, como es el caso de los aceites, o bien un sólido que funde fácilmente.

Entre las moléculas que lo forman se ejerce unas fuerzas, llamadas de Van der Valls, que, según sabemos, pueden considerarse como residuales de las electromagnéticas, y que son más débiles que éstas. En cambio, en los silicatos sólidos (como el caso del topacio) el enlace covalente o iónico no se limita a una molécula, sino que se extiende en el espacio ocupado por el sólido, resultando un entramado particularmente fuerte.

Si prescindimos de las orgánicas, el resto de las moléculas que resultan de la combinación entre los diferentes átomos  no llegan a 100.000, frente a los varios millones de las primeras. Resulta razonable suponer que toda la enorme variedad de moléculas existentes, principalmente en los planetas rocosos, se haya formado por evolución de los átomos, como corresponde a un proceso evolutivo. La molécula poseería mayor orden que los átomos de donde procede, esto es, menor entropía. En su formación, el ambiente se habría desordenado al ganar entropía en una cierta cantidad tal, que el resultado fuese un balance final positivo.

                                                           El Carbono es la base de la Vida

Creo que, los átomos que forman células de Carbono que finalmente forman parte de los seres vivientes como nosotros, son las únicas que tienen esa facultad. El Carbono es la base de la vida tal como la conocemos. Sin embargo, el Silicio, según hemos podido ir comprobando, es el material idóneo para crear eso que llamamos “Vida Artificial”, y, esa clase de vida, en el futuro lejano, podría ser y tener tanta importancia como la que hoy tiene la nuestra. No debemos perder de vista las posibilidades del Silicio en ese ámbito de la Inteligencia “No Viviente” que, no necesariamente, significa “no inteligente”, sino todo lo contrario. Las posibilidades de la Inteligencia Artificial puede ser ilimitada y, si me apuráis mucho, incluso nos podrían sobrepasar, a nosotros los humanos, toda vez que, al no ser de carne y huesos, nos llevarían una inmensa ventaja en los muchos achaques que nosotros padecemos y de los que esos “seres” estarían exentos.

Estamos hablando aquí de átomos y de moléculas y, desde luego, siempre ha sido, no ya difícil (que lo es) el aventurarse en el mundo de lo muy pequeño, sino que, hasta podríamos decir que, tal osadía, si no está acompañada de un profundo conocimiento de las leyes de la Naturaleza, sería una locura. Y, las leyes de la Naturaleza, aunque son pocas y nos parecen de sencilla comprensión, en realidad es una sensación muy engañosa, toda vez que, dichas leyes, encierran todos los misterios y secretos del Universo, y, sin embargo, nosotros, pobres ilusos, decimos conocerlas.

fuerza de Van der Valls  crea la tensión superficial del agua que permite al mosquito andar por ella

Conocemos unos cuentos sucesos de los que ocurren en ese “universo” misterioso que llamamos mecánica cuántica y que, es el ámbito donde todo lo muy pequeño desarrolla sus funciones. Allí, desde las denominadas fuerzas de Van der Valls, en una distancia r (aproximadamente proporcional a 1/r exponente 7), nos dice que, si reducimos la distancia entre dos átomos a la mitad, esa fuerza de Van der Valls se hace de 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 128 veces más intensa, eso ocurre en la tensión superficial presente en átomos y moléculas cuando se acercan mucho y quedan unidos a través de esta fuerza.

Muchos otros sucesos y maravillas conocemos de éstos pequeños objetos que llamamos partículas subatómicas y que, se unen para conforman el mundo y el Universo entero. Explicar aquí las fuerzas nucleares débil y fuerte, el electro-magnetismo o la Gravedad de las que tanto hemos hablado, me parecería una repetición innecesaria.

Sin embargo, no estaría demás, dada su importancia para Ciencia, mencionar, aunque sólo sea de pasada, la importancia que para la Ciencia Física tuvo en su momento el cuanto de Planck que inspiró a Einstein su trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le valió el Nobel de Física), el trabajo sobre el electrón que formuló Dirac y que estuvo a la altura de la teoría de la relatividad, o, la intuición de Pauli cuando dedujo la existencia del neutrino para explicar la energía perdida, y, su…

Principio de Exclusión aplicable a los fermiones pero no a los bosones, en virtud del cual, dos partículas idénticas en un sistema, como electrones en un átomo o quark en un hadrón, no puede poseer un conjunto idéntico de números cuánticos, y, de ahí, se deduce lo que pasa en las estrellas que finalizan sus días en la secuencia principal y que, dependiendo de sus masas, se convierten en enanas blancas o estrellas de neutrones, gracias a este principio, ya que, en el primer caso, la degeneración de los electrones y en el segundo de los neutrones, se produce una fuerza que, es suficiente para llevar el equilibrio a la estrella moribunda y parar la fuerza de Gravedad evitando que continúe el proceso de compresión de la estrella.

Está claro que, cuando antes digo “universo” de las partículas, no me quedo corto. Todos conocemos y hablamos de los Protones, Neutrones, Electrones o Quarks, fotones y neutrinos pero, son muchísimas más las partículas que intervienen en ese mundo y, cada una de ellas, tiene su misión que cumplir. ¿Qué sabéis, por ejemplo, de las familias completas de los Leptones, Hadrones y Quarks y todo lo que ello implica. Y, por otra parte, si decimos Fermiones, Bosones, Nucleones, Bariones…¿Sabéis de qué estamos hablando?

                                     En la imagen: Electrón, Muón y Tau y sus neutrinos

El electrón y sus hermanos el muón y la partícula Tau, están acompañados por sus respectivos neutrinos electrónico, muónico y tauónico. Los hadrones se dividen en Bariones y mesones, y, de los segundos en general, la gente sabe poco. Son Los Piones positivos, negativos y neutros, Kaones, también en las mismas vertientes además de largo y corto. La partícula Eta también es un mesón. Compañeros del Protón y del Neutrón como Bariones, están la partícula Lambda, Sigma más, Sigma cero y Sigma menos, Ksi-cero, Ksi-menos y Omega-menos.

Todas ellas tienen su símbolo identificativo, su masa que se específica en MeV, Carga, Espín, Vida Media y, tambiñén cada una de ellas, como era de esperar al ser todas diferentes, tiene su manera de desintegrarse produciendo nuevas partículas.

Trazas de partículas vuelan desde el corazón del experimento ALICE en una de las primeras colisiones a una energía total de 7 TeV. Imagen: CERN

                                    Las primeras colisiones con Atlas y Alice a  7 TeV en el LHC

Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ha presentado hoy los primeros resultados de este gran experimento internacional desde que el pasado mes de marzo alcanzó la mayor energía de colisión de partículas registrada hasta ahora. Los portavoces de LHC destacaron el buen funcionamiento de la máquina, que ha multiplicado el número de colisiones registrado por más de mil, lo que ha permitido “redescubrir” partículas conocidas del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones. Entre los principales resultados se encuentran los primeros indicios de detección del quark ‘top’, la más masiva de las partículas elementales, en lo que sería la primera detección realizada por un laboratorio europeo.

Los primeros resultados del LHC han sido revelados en la 35º Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP 2010), la mayor conferencia del mundo en física de partículas que reúne a más de 1.000 participantes en la capital francesa, y que ha contado hoy con la visita del presidente Nicolas Sarkozy. Los portavoces de los cuatro grandes experimentos del LHC (ALICE, ATLAS, CMS y LHCb) han presentado resultados procedentes de los tres meses de funcionamiento del LHC a 3,5 Teraelectronvoltios (TeV) por haz, una energía tres veces y media mayor que la alcanzada hasta ahora en un acelerador de partículas.

Con estas primeras medidas los experimentos del LHC han redescubierto partículas del Modelo Estándar, la teoría que contiene el conocimiento actual sobre las partículas que forman la materia y las fuerzas que actúan entre ellas. Éste es un paso esencial antes de realizar otros descubrimientos. Entre los miles de millones de colisiones registradas hasta ahora se encuentran “candidatos” de producción del quark ‘top’, en lo que sería la primera vez que esta partícula se observa en un laboratorio europeo. Ésta fue la última partícula elemental descubierta, en 1995 en el Tevatron, el acelerador de partículas de Fermilab (EE.UU.).

Según el Modelo Estándar, el quark ‘top’ es el más masivo de los constituyentes elementales de la materia. Dada su gran masa se necesitan grandes energías para producirlo mediante colisiones de partículas, las cuales sólo se podían alcanzar en Tevatron y, a partir de ahora, en LHC. “Redescubrir nuestros ‘viejos amigos’ en el mundo de las partículas muestra que los experimentos del LHC están bien preparados para entrar en nuevos territorios”, dijo el director general del CERN Rolf Heuer. “Parece que el Modelo Estándar está funcionando como se esperaba. Ahora el siguiente paso es que nos muestre lo que es nuevo”.

Para el CERN, la calidad de los resultados presentados en ICHEP atestigua tanto el buen funcionamiento de LHC como la calidad de los datos grabados por sus experimentos. El LHC, que está aún en su primera etapa de funcionamiento, está realizando continuos progresos hacia sus condiciones finales de operación. La luminosidad, medida de la tasa de colisiones, se ha incrementado en un factor superior a mil desde el final de marzo. Este rápido progreso en la puesta a punto de los haces del LHC se equipara a la velocidad con que los datos procedentes de las miles de millones de colisiones producidas han sido procesados por el Grid, la red de computación global del LHC, lo que ha permitido a los diferentes centros de investigación repartidos por todo el mundo analizar datos de los experimentos.

¿Nos dirá el LHC cómo empezó todo?

No pocas veces, emocionados por descubrimientos profundamente escondidos en lo más profundo de la Naturaleza, llegamos a creernos que tenemos en mundo en nuestras manos. Sin embargo, no es así, la realidad es que estamos a merced del “mundo” (entendiendo por mundo la Naturaleza misma) y que, nuestro entorno se desarrolla tal como “está previsto” sin que nosotros, los humanos de este planeta pueda vanagloriarse de tener un poder que, desde luego, no tiene. Lo mismo nuestro planeta que el resto del entorno planetario o galáctico se rige por unas fuerzas que todavía no hemos llegado a comprender bien. Son inamovibles, se mueven y se rigen por ciclos que están marcados en el “reloj” del Tiempo y, cuando tienen que llegar aparecen y, de sus consecuencias, si miramos atrás podemos tener una idea de cómo funciona todo.

Lo único que nos queda es aprender, estudiar, investigar y observar y, si todo va bien y nada se tuerce, entonces, quizás, en un futuro muy lejano, los habitantes de nuestro mundo pueda contar a las generaciones venideras su larga aventura que comenzó en un planeta llamado Tierra.

emilio silvera

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