Ahora todos hablamos del LHC. Sin embargo, la historia de los aceleradores no comenzó con éste moderno y complejo conglomerado de sofisticadas estructuras que hacen posible que visitemos lugares muy lejanos en el corazón de la materia. Tendríamos que recordar al acelerador lineal también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador que le proporciona a la partícula subatómica cargada pequeños incrementos de energía cuando pasa a través de una secuencia de campos eléctricos alternos.

               Generador de Van de Graaff.                          El rodillo y peine superior.

Mientras que el generador de Van de Graaff proporciona energía a la partícula en una sola etapa, el acelerador lineal y el ciclotrón proporcionan energía a la partícula en pequeñas cantidades que se van sumando. El acelerador lineal, fue propuesto en 1924 por el físico sueco Gustaf Ising. El ingeniero noruego Rolf Wideröe construyó la primera máquina de esta clase, que aceleraba iones de potasio hasta una energía de 50.000 eV.

Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron potentes osciladores de radio frecuencia, necesarios para los radares de la época. Después se usaron para crear aceleradores lineales para protones que trabajaban a una frecuencia de 200 MHz, mientras que los aceleradores de electrones trabajan a una frecuencia de 3000 MHz.

El acelerador lineal de protones diseñado por el físico Luis Alvarez en 1946, tenía 875 m de largo y aceleraba protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV (800 millones). El acelerador lineal de la universidad de Stanford es el más largo entre los aceleradores de electrones, mide 3.2 km de longitud y proporciona una energía de 50 GeV. En la industria y en la medicina se usan pequeños aceleradores lineales, bien sea de protones o de electrones.

El SLAC, ubicado al sur de San Francisco, acelera electrones y positrones a lo largo de algo más de tres kilómetros hacia varios blancos, anillos y detectores ubicados en su finalización. Este acelerador hace colisionar electrones y positrones, estudiando las partículas resultantes de estas colisiones. Construido originalmente en 1962, se ha ido ampliando y mejorando para seguir siendo uno de los centros de investigación de física de partículas mas avanzados del mundo. El centro ha ganado el premio nobel en tres ocasiones. Y, una vez recordada de manera breve la historia, pasaremos directamente al tema que en realidad nos ha tríado aquí: ¡El descubrimiento de los Quarks!

Ahora los medios con los que cuentan los físicos del LHC son inmensamente más eficaces y están más adelantados que aquellos viejos aceleradores que, sin embargo, fueron los pioneros y los que hicieron posible adquirir conocimientos que nos han traído hasta el moderno LHC.

En 1967 se emprendió una serie de experimentos de dispersión mediante los nuevos haces de electrones del SLAC. El objetivo era estudiar más incisivamente la estructura del protón. Entra el electrón de gran energía, golpea un protón en un blanco de hidrógeno y sale un electrón de energía mucho menor, pero en una dirección que forma un ángulo grande con respecto a su camino original. La estructura puntual dentro del protón actúa, en cierto sentido, como el núcleo con las partículas alfa de Rutherford. Pero el problema era aquí más sutíl.

               Richard Edward Taylor

Richard Edward Taylor fue uno de los veintidós científicos que trabajó intensamente en el acelerador lineal de Stanford (SLAC), en una serie de pruebas experimentales que vinieron a demostrar que los protones y los neutrones son poseedores de una estructura interna, lo que a su vez confirma las predicciones teóricas del neoyorquino Murray Gell-Mann (1929- ), acerca de la existencia de los denominados quarks.

Junto con sus colegas de Stanford junto con Jerome I. Friedman y Henry W. Kendall -con los que luego habría de compartir el Nobel-, Taylor investigó sobre la estructura interna de la materia, en su mínima expresión, para lo que partió del modelo teórico de los quarks, postulado por Gell-Mann y -de forma independiente- G. Zweig. Tras sus descubrimientos experimentales en el acelerado lineal de Stanford, Taylor perfeccionó dicho modelo añadiéndole la existencia de unas subpartículas desconocidas hasta entonces, que luego fueron denominadas leptones; además, introdujo en el modelo teórico de Gell-Mann otras partículas no estructurales, sino de intercambio de fuerza, a las que en Stanford comenzaron a llamar bosones.

                   James Bjorken.

                      Richard Feynman

Los dos últimos párrafos los he tomado prestados de www.mcnbiografias.com., que es lo que se explica de este tema en casi todas partes. Sin embargo, pocos cuentan que, el equipo de Stanford, dirigido por el físico del SLAC por Richard Taylor y los otros dos físicos del MIT, Jerome Friedman y Henry Kendall, tuvieron la gran suerte de que, Richard Feynman y James Bjorken, metieran sus narices en el proyecto llevados por la curiosidad y como habían prestado  su energía y su imaginación a las interacciones fuertes  y se preguntaban: ¿que habrá dentro del protón?

Amnos, Feynman y Bjorken visitaban con frecuencia Stanford desde su base en el  Cal Tech, en Pasadena. Bjorken, teórico de Stanford, estaba muy interesado en el proyecto experimental y en las reglas que regían unos datos aparentemente incompletos. Estas reglas, razonaba Bjorken, serían indicadoras de las leyes básicas (dentro de la “caja negra”) que controlaba la estructura de los hadrones.

No estaría mal echar una mirada hacia atrás en el tiempo y recordar, en este momento, a Demócrito que, con sus postulados, de alguna manera venía a echar un poco de luz sobre el asunto, dado que él decía que  para determinar  si algo era un á-tomo habría que ver si era indivisible. En el modelo de los quarks, el protón, en realidad, un conglomerado pegajoso de tres quarks que se mueven rápidamente. Pero como esos quarks están siempre ineludiblemente encadenados los unos a los otros, experimentalmente el protón aparece indivisible.

Acordémonos aquí de que Boscovich decía que, una partícula elemental, o un “á-tomo”, tiene que ser puntual. Y, desde luego, esa prueba, no la pasaba el protón. El equipo del MIT y el SLAC, con la asesoría de Feynman y Bjorken, cayó en la cuenta de que en este caso el criterio operativo era el de los “puntos” y no el de la indivisibilidad. La traducción de sus datos a un modelo de constituyentes puntuales requería una sutileza mucho mayor que el experimento de Rutherford.

Precisamente por eso era tan conveniente fue tan conveniente para Richard Edward Taylor y su equipo, tener a dos de los mejores teóricos del mundo en el equipo aportando su ingenio, agudeza e intuición en todas las fases del proceso experimental. El resultado fue que los datos indicaron, efectivamente, la presencia de objetos puntuales en movimiento dentro del protón.

En 1990 Taylor, Friedman y Kendall recogieron su premio Nobel por haber establecido la realidad de los quarks. Sin embargo, a mí lo que siempre me ha llamado más la atención es el hecho cierto de que, este descubrimiento como otros muchos (el caso del positrón de Dirac, por ejemplo), han sido posible gracias al ingenio de los teóricos que han sabido vislumbrar cómo era en realidad la Naturaleza.

A todo esto, una buena pregunta sería: ¿cómo pudieron ver este tipo de partículas de tamaño infinitesimal, si los quarks no están libres y están confinados -en este caso- dentro del protón?  Hoy, la respuesta tiene poco misterio sabiendo lo que sabemos y hasta donde hemos llegado con el LHC que, con sus inmensas energías “desmenuza” un protón hasta dejar desnudos sus más íntimos secretos.

   Este es, el resultado ahora de la colisión de protones en el LHC

Lo cierto es que, en su momento, la teoría de los Quarks hizo muchos conversos, especialmente a medida que los teóricos que escrutaban los datos fueron imbuyendo a los quarks una realidad creciente, conociendo mejor sus propiedades y convirtiendo la incapacidad de ver quarks libres en una virtud. La palabra de moda en aquellos momentos era “confinamiento”. Los Quarks están confinados permanentemente porque la energía requerida para separarlos aumenta a medida que la distancia entre ellos crece. Esa es, la fuerza nuclear fuerte que está presente dentro del átomo y que se encarga de transmitir los ocho Gluones que mantienen confinados a los Quarks.

Así, cuando el intento de separar a los Quarks es demasiado intenso, la energía se vuelve lo bastante grande para crear un par de quark-anti-quark, y ya tenemos cuatro quarks, o dos mesones. Es como intentar conseguir un cabo de cuerda. Se corta y… ¡ya tenemos dos!

¿Cuerdas? Me parece que estoy confundiendo el principal objetivo de este trabajo y, me quiero situar en el tiempo futuro que va, desde los quarks de Gell-Mann hasta las cuerdas de Veneziano y John Schwarz y más tarde Witten. Esto de la Física, a veces te juega malas pasadas y sus complejos caminos te llevan a confundir conceptos y  momentos que, en realidad, y de manera individualizada, todos han tenido su propio tiempo y lugar.

¿Cuántas veces no habré pensado, en la posibilidad de tomar el elixir de la sabiduría para poder comprenderlo todo? Sin embargo, esa pósima mágica no existe y, si queremos saber, el único camino que tenemos a nuestro alcance es la observación, el estudio, el experimento… ¡La Ciencia!, que en definitiva, es la única que nos dirá como es, y como se comporta la Naturaleza y, si de camino podemos llegar a saber, por qué lo hace así…¡mucho mejor!

emilio silvera

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                                Werner Hesinberg

Sí, el principio cuántico es muy extraño. Cuando en 1927, el joven físico alemán Werner Heisenberg llegó al Principo de Indeterminación, la física moderno rompió de manera decisiva con la física clásica, una nueva Era comenzaba con otra manera de mirar el mundo que nos rodea a través de la Física. Heisenberg descubrió que se puede conocer, o bien la posición exacta de una partícula determinada, o bien su trayectoria exacta, pero no ambas.

¡¡La mecánica cuántica!!, o, la perplejidad de nuestros sentidos ante lo que ese “universo cuántico” nos ofrece que, generalmente, se sale de lo que entendemos por sentido común. Ahí, en el “mundo” de los objetos infinitesimales, suceden cosas que, no siempre podemos comprender. Y, como todo tiene una razón, no dejamos de buscarla en cada uno de aquellos sorprendentes sucesos que en ese lugar tienen lugar. Podríamos llegar a la conclusión de que, la razón está en todo y solo la encontramos una vez que llegamos a comprender, mientras tanto, todo nos resulta extraño, irrazonable, extramundano y, algunas veces…imposible. Sin embargo, ahí está. Dos elementos actúan de común acuerdo para garantizar que no podamos descorrer el velo del futuro, de lo que será después (podemos predecir aproximaciones, nunca certezas), el principal de esos elementos es la ignorancia nunca podremos saber el resulktado final de éste o aquél suceso sin tener la certeza de las condiciones iniciales. En la mayoría de los sistemas físicos son, en mayor o menor medida dada su complejidad, del tipo caótico es tal que, el resultado de las interacciones entre elementos eson sumamente sensibles a pequeñísimas variaciones de los estados iniciales que, al ser perturbados mínimamente, hacen que el suceso final sea y esté muy alejado del que se creía al comienzo.

Desde las certezas que parecía darnos la mecánica clásica de Newton sobre la posición, trayectoria y velocidad de cualquier partícula microscópica o cuerpo celeste se nos echaba en brazos de la indeterminación cuántica. Ya no podía conocerse simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula con la infinita exactitud que se suponía, y el principio de indeterminación de Heisenberg parecía habernos desterrado del paraíso de las certidumbres clásicas. Pero ese paraíso nunca existió en realidad, desde un punto de vista puramente clásico se puede demostrar que la predictibilidad que se suponía a los sistemas clásicos nunca fue esencialmente cierta. Independientemente de la precisión con que conozcamos el estado inicial de un sistema clásico (no cuántico) las imprecisiones tienden a crecer, de forma natural, con el tiempo y nuestra información inicial puede llegar a ser inútil para predecir su evolución futura.

Ahora bien, esto se trata de ignorancia pura. Si fuésemos capaces de contralar las condiciones iniciales, y además pudiésemos considerar el estado de cada una de los cientos o miles de variables que influyen sobre el sistema, podríamos predecir con exactitud la velocidad y la trayectoria de unas bolas de billar, por ejemplo, en cualquier tiempo futuro. De hecho, la Ciencia se está volviendo extremadamente buena en controlar y calcular las condiciones de un sistema. Somos capaces de enviar naves espaciales a sitios muy distantes con una exactitud enorme (la Cassini es un buen ejemplo y, ayer mismo, teníamos aquí la partida de la Curiosity hacia el planeta Marte). Si sabemos contralar las condiciones iniciales (y no ocurren accidentes por el camino) podemos predecir, con ciertas garantías que, la nave llegará a su destino como se había calculado. Es decir, de alguna manera, estamos impidiendo ese principio de incertidumbre que está presente en todo lo que acontece en nuestras vidas, en el mundo y, en el Universo.

Nunca podremos estar seguros del resultado en una tirada de dados. En verdad, son pocas las cosas en las que podemos tener una completa certeza, y, aunque no lo sepamos, la razón está en la ignorancia de las condiciones iniciales y, en el caso de los dados en los factores que intervienen en el movimiento. Decimos entonces que la Naturaleza es aleatoria. Claro que, si yo tuviera que apostar con esos dados, sin dudarlo, escogería el 7. Esto es porque hay más maneras de formar 7 que cualquier otro número. Para más precisión, hay seis combinaciones de dados que darán un 8 o un 6. Claro que la certeza no existe y, entonces, recurrimos a las probabilidades. (Schrödinger creó su ecuación de la función de onda (Ψ) precisamente para contraponerla al principio de incertidumbre de Heisenberg, él nos situó en el campo de las probabilidades para “saber” dónde podría estar uan partícula.

Si observamos un protón que atraviesa una cámara de niebla (ahora cámara de chispas, más moderna y efectiva), registrando su trayectoria podemos conocer la dirección en la que se mueve, pero en el proceso de abrirse camino a través del vapor de agua de la cámara el protón disminuirá su velocidad, restándonos información de dónde estaba en un momento determinado.

Alternativamente, podemos irradiar el fotón -tomar una instantánea de él, por decirlo así- y de este modo determinar su situación exacta en un instante determinado, pero la luz o cualquier otra radiación que usemos para tomar la fotografía apartará al fotón de su recorrido fijado, impidiéndonos el conocimiento de dónde habría estado si no hubiésemos actuado sobre él. Así que, el resultado es que estamos limitados en nuestro conocimiento del mundo subatómico. Sólo podemos obtener respuestas parciales, cuya naturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por indagar.

Cuando Heisenberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

Esquema de la formación de una traza en la cámara de niebla

Los físicos de partículas suelen encontrarse en sus vidas profesionales con el inconveniente de que aquello con lo que trabajan es tan sumamente pequeño que se vuelve indetectable tanto para el ojo humano como para los más avanzados sistemas de microscopía. Es cierto que en la actualidad se pueden conseguir imágenes en las que se distinguen átomos individuales cuando estos son lo suficientemente grandes, pero de ahí a poder visualizar un sólo protón, o un aún más pequeño electrón, hay un escalón insalvable para la técnica actual. Se han tomado espectros del electrón y, cada día, se avanza en esa direccción.

¿Cómo pueden, pues, los físicos saber que aquello con lo que trabajan no es un mero ente creado por su mente? ¿Cómo se pueden asegurar de que las partículas subatómicas existen en realidad?La respuesta es obvia: a través de su interacción con otras partículas o con otro sistema físico; y un ejemplo extraordinario de ello es, por ejemplo, en una cámara de niebla.

Claro que, la Indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado para investigar el mundo subatómico. Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la Física atómica clásica se creía que se podía, en principio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas -digamos protones– y a partir de los datos resultantes formular predicciones exactas de donde estarían los protones en determinado tiempo futuro. Heisenberg vino a demostrarnos que tal supuesto era falso, que nunca podremos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sola partícula.

Cualquier detector debe contener un medio sensible que quede perturbado al paso de la partícula a registrar (lo que “vemos” es la huella que deja la partícula al atravesar el medio) Esa perturbación debe poderse traducir a imágenes y datos numéricos que permitan reconstruir la trayectoria y calcular sus características.

Las imágenes de las partículas proceden de dos tipos de detectores: las cámaras de burbujas y los detectores electrónicos. En el primero, las partículas cargadas dejan a lo largo de su trayectoria una traza de burbujas de vapor que se puede ver y fotografiar. Es un proceso en cierto modo inverso al de la formación de una estela de vapor de agua al paso de los aviones a reacción.

Así que, el nuevo marco expuesto por el Principio de Indeterminación de Hesinberg cambió fundamentalmente nuestra visión del mundo de la física. Nos dio un nuevo conocimiento: A partir de aquel momento sabíamos que, no sólo la materia y la energía estaban cuantizadas sino que, también nuestro conocimiento del Universo lo estaba.

            NO, esto no es el salto cuántico que, según explicamos más abono es otra cosa diferente

Cuanto más minuciosamente se examina el mundo subatómico, mayor parece la Indeterminación. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. Los mismos radios orbitales están cuantízados, y el electrón simplemente deja de existir en un punto para aparecer simultáneamente en otro. Es el famoso “salto cuántico” que tanto desconcierta. Eso nos viene a demostrar que predecir exactamente la conducta de los átomos.

De modo similar, a como vimos antes, es en virtud de la indeterminación cuántica como los protonespueden saltar la barrera de Coulomb, permitiendo que la fusión nuclear se produzca a una tasa suficiente para que las estrellas sigan brillando.

Imagen ilustrativa de la dualidad onda partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas, verdaderamente la mecánica cuántica puede resultar extraña debido a su complejidad, en su “universo” los comportamientos difieren de lo que nos dicta el sentido común en nuestras vidas cotidianas del mundo macroscópico.

Sin embargo, como todo lo grande está hecho de cosas pequeñas, necesitamos conocer lo pequeño para comprender lo grande. Hasta la estrella más grande y la galaxia más brillante del Cosmos, están conformadas de partículas subatómicas unas más elementales que otras.

En fin amigo, que tenemos en nuestras manos todos los interrogantes que debemos desvelar y, otros muchos, que ni conocemos, y, por delante una tarea de tal complejidad que,  posiblemente, nunca podremos acabar. Un sin fin de misterios  que desvelar, problemas que resolver y, preguntas que contestar y, siendo conscientes de que, sin descorrer el velo que esconde los secretos del Universo…poco podríamos avanzar, nos sumergimos en la difícil tarea de conquistar ese conocer de las cosas ignoradas para que, algún día en el futuro, podamos saber, al menos hacia dónde vamos.

Sabemos que el presente está cargado de pasado y que, el futuro, lo estará de presente. Si eso es así (que lo es), tratemos de mejorar este presente para que, el futuro, sea algo mejor de lo que hoy tenemos. Y, amigos, si queremos, podremos lograrlo.

Muchos de los pasajes aquí volcados han sido extraídos de la obra “La Aventura del Universo” de Timoty Ferris, profesor emérito de la Universidad de California que es un maestro indiscutible de la divulgación cientific, otros tienen otras fuentes y, alguna fracción del contenido puede ser de propia cosecha que, alguna cosa se va aprendiendo con el tiempo.

emilio silvera

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                                   El universo de lo muy pequeño y de lo muy grande

Muy lejos quedan ya aquellas célebres palabras que pronunciara Enrico Fermi (el gran físico italiano): “Si yo pudiese recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido un botánico”, y el físico Martinus Veltman más tarde reflexionó que “a medida que aumenta el número de partículas, lo único que logramos es aumentar  nuestra ignorancia”.

                                              Todo está hecho de Quarks y Leptones

Por aquellos tiempos (algunas décadas), hubo también demasiadas teorías, muchas incompatibles entre ellas. No pocos físicos se vieron frustrados hasta el punto de abandonar la física para siempre. Sin embargo, el torbellino y la confusión, no la tranquila seguridad, lo que hace crecer la mente, y, cuando aquel endiablado barullo empezó a calmarse y el polvo se disipó, la Física Cuántica emergió, no sólo como un campo vital y en rápido desarrollo de la ciencia, sino como uno de los mayores logros intelectuales de la historia del pensamiento humano. Aunque en modo alguno completa, entonces pudo hacer predicciones exactas sobre un imponente conjunto de fenómenos, desde la óptica y el diseño de ordenadores hasta el brillo de las estrellas, y hacerlo en términos de estructuras teóricas que, como ya podía verse, poseen una belleza y una amplitud dignas del universo que trataban de describir.

Las variadas teorías que llegaron a constituir la física cuántica a finales del primer cuarto del siglo pasado eran conocidas colectivamente como el Modelo Estándar.

Considerado desde su punto de vista, el mundo está compuesto de dos categorías generales de partículas: las de espín fraccionario (½), llamadas fermiones, en homenaje a Enrico Fermi, y las de espín entero (0, 1 o 2), llamadas Bosones, en homenaje a Satyendra Nath Bose, quien junto con Einstein, desarrolló las leyes estadísticas que gobiernan su conducta.

(El “espín” al que se alude aquí es el espín común, mecánico, aunque cuantizados, y se mide en términos de h, el cuanto de acción de Planck.)

Los Fermiones comprenden la materia. Obedecen a lo que se llama el Principio de exclusión de Pauli, formulado por este en 1925, según el cual dos fermiones no pueden ocupar al mismo tiempo un determinado estado cuántico. Debido a esta característica de los fermiones, sólo un número limitado de electrones pueden ocupar cada capa de un átomo, y hay un número superior para el número de protones y neutrones que pueden unirse para formar un núcleo atómico estable. Los protones, neutrones y electrones son todos fermiones.

Los Bosones transmiten fuerza. Para aventurar una imagen hiperbólica, podríamos concebir los fermiones como similares a patinadores sobre hielo que se arrojan balones los unos a los otros y, los balones son los bosones y el cambio de trayectoria de cada patinador que se produce cuando arrojan o atrapan los balones revela, en lenguaje newtoniano, la presencia de una fuerza.

Los Bosones no obedecen el principio de exclusión, y por consiguiente varias fuerzas diferentes pueden actuar en el mismo lugar al mismo tiempo. Los átomos de cualquier objeto, por ejemplo, están sujetos simultáneamente a la atracción eléctrica entre sus protones y electrones, y a la fuerza gravitacional de la Tierra.

Todos conocemos de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. Cada una tiene un papel distinto. La Gravitación, la atracción universal de todas las partículas materiales entre sí, mantiene unidos a cada estrella y planeta, y mantiene los planetas en sus órbitas dentro de la galaxia. El electromagnetismo, la atracción entre las partículas con carga eléctrica o magnéticas opuestas, produce luz y todas las otras formas de radiación electromagnética, incluyendo la radiación de onda larga llamada ondas radio y la radiación de onda corta llamada rayos X y rayos gamma. El electromagnetismo también une grupo de átomos para formar moléculas, y es la causa de la estructura de la materia tal como la conocemos. La Fuerza nuclear fuerte une protones y neutrones (llamados nucleones) en los núcleos de los átomos, y une las partículas elementales llamadas quarks para formar cada nucleón. La fuerza nuclear débil es la mediadora del proceso de desintegración radiactiva, la fuente de la energía emitida por los trozos de radio que estudiaron Rutherford y los Curie.

La conducta diferente de las fuerzas se refleja en la naturaleza de los bosones  que transportan. La Gravitación y el electromagnetismo tienen un alcance infinito, que es por lo cual nuestra Galaxia “siente” la atracción gravitacional del cúmulo de Virgo de galaxias, y por lo que podemos ver luz estelar proveniente de miles de millones de años-luz de distancia, pues los bosones que transporta estas dos fuerzas llamados respectivamente gravitones y fotones, tienen masa cero. La fuerza nuclear débil tiene un alcance muy corto porque las partículas que la transportan, llamadas bosones débiles, son masivas. La fuerza o interacción fuerte es llevada por las partículas llamadas gluones; son masivas pero tienen la curiosa y bella de que su fuerza aumenta, no disminuye, cuando los fermiones entre los que son intercambiadas (los quarks) se alejan. Un quark que empieza a apartarse de sus dos compañeros pronto se encuentra arrastrado por una red de gluones (confinamiento de los quarks), y, si se juntan, pueden moverse libremente (libertad asintótica). Por ello, los quarks en el universo contemporáneo permanecen ligados dentro de los protones y neutrones; aún no ha sido posible observar quarks libres, aunque han sido buscados en todas partes, desde las colisiones de aceleradores de partículas hasta el polvo de la Luna y en otros lugares más extraños.

Los fermiones que constituyen la materia, aunque muy variados y numerosos, pueden ser clasificados como quarks, que responden a la interacción fuerte, o leptones, que no lo hacen. Los leptones son partículas ligeras; entre ellos se encuentran los electrones que giran alrededor de los núcleos atómicos. Los quarks son los ladrillos que componen los protones y neutrones. Tres quarks forman un nucleón. Se piensa que hay seis variedades de leptones y otras tantas de quarks. Ni los unos ni los otros muestran signo alguno de tener una estructura interna, aunque su anatomía ha sido sondeada hasta escalas de 10  ̄¹⁸ metros. Esto equivale a decir que si un átomo fuese ampliado hasta las dimensiones de la Tierra, todo subcomponente de quark y leptones tendría que ser más pequeño que una naranja para escapar a su detección. De modo que los quarks y los leptones son las partículas básicas de la materia, hasta donde llega nuestro conocimiento actual.

Todo suceso fundamental –lo cual significa simple- del Universo, en principio, puede ser interpretado mediante el modelo estándar. Cuando un niño mira una estrella, fotones de luz estelar chocan con electrones de los átomos exteriores de los receptores que hay en la retina del niño, poniendo en marcha otras interacciones de electrones que transportan la imagen al cerebro; todo esto es obra del electromagnetismo. Los procesos nucleares que producen la Luz estelar son generados por las fuerzas nucleares fuerte y débil que operan dentro de la estrella. Y la gravitación es la fuerza que mantiene unida la estrella y aferra los pies del niño (aunque sólo sea intermitentemente) al suelo.

Las explicaciones científicas de cómo las diversas partículas de la materia se comportan bajo la influencia de tres de las cuatro fuerzas reciben el nombre de teorías cuánticas de campos relativistas. Son llamadas así porque utilizan tanto las reglas cuánticas como la teoría especial de la relatividad, a fin de tomar en cuenta los efectos que aumentan la masa de las partículas que se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz.

El electromagnetismo se describe con exquisita exactitud por la teoría de electro cuántica, o EDC. La interacción fuerte es descrita por la Cromodinámica Cuántica, CDC. (“Cromo” proviene de un número cuántico caprichosamente llamado “color”, que desempeña una función para los Quarks comparable a la carga eléctrica en las cuestiones relacionadas con los electrones.) La fuerza débil ha pasado a pertenecer al dominio de la teoría electrodébil.

La Gravitación sigue siendo la excepción. Sus acciones siguen siendo descritas por la teoría general de la relatividad de Einstein, que es una teoría clásica, lo cual significa que no incluye los principios cuánticos. Esto no origina problemas en la mayoría de las situaciones, pero la relatividad pierde su validez cuando se llega a campos gravitatorios sumamente intensos, como los que aparecen en el interior de los agujeros negros o en el Universo al comienzo de su expansión. Allí, la curvatura del espacio llega a infinito, punto en el cual la teoría saluda y hace mutis grácilmente.

             La teoría de la Gravedad cuántica subyace en la Teoría de Cuerdas que no podemos verificar

No tenemos ninguna teoría cuántica de la gravitación con la cual completar la relatividad general y, de paso, el Modelo Estándar de la Física. Una razón de esto es que la Gravedad es débil. Normalmente, las partículas subatómicas individualmente son tan poco afectadas por la fuerza gravitatoria que ejercen sus colegas que se puede ignorar la gravedad. Otra razón es que las interacciones gravitacionales son interpretadas, mediante la teoría general de la relatividad de Einstein, como resultado de la geometría del espacio-tiempo. Los “gravitones” que, se piensa, transmiten la gravitación deben, por tanto, determinar la forma misma del espacio, y no es asunto simple para una teoría dilucidar como logran hacerlo.

La actual física de partículas es una casa dividida, y aunque el modelo estándar da un buen resultado, pocos creemos que sea la última palabra en este tema que, si aparece el Bosón de Higgs y algún que otro parámetro ahora perdido, todo podría cambiar.

Sin embargo, la Física actual está a la espera de una próxima revolución que, sólo podría venir de la mano de una nueva y avanzada teoría de la gravitación cuántica que, de una vez por todas incluyera a la Gravedad, en el Modelo estándar de la Física que, de esa manera sí que sería un modelo completo y sin fisuras.

Un Modelo Estándar sin parámetros aleatorios, firme y seguro que, sin dificultad y sin generar infinitos a las preguntas planteadas, nos pueda dar una respuesta convincente de lo que el Universo es.

Esperemos que venga pronto.

emilio silvera

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