Partículas elementales

Constituyentes fundamentales de toda la materia del universo. Hasta el descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en 1897 se pensaba que los átomos eran los constituyentes fundamentales de la materia. Este hallazgo, junto con el de Rutherford del núcleo atómico y del protón en 1911, hizo evidente que los átomos no eran elementales, en el sentido de que tienen estructura interna. Es descubrimiento de Chadwick del neutrón en 1932 completó el modelo atómico basado en un núcleo atómico consistente en protones y neutrones rodeados de un número suficiente de electrones como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.

En 1935, Yukawa sugirió que la fuerza de intercambio que lo mantenía junto estaba mediada por partículas de vida corta, llamados mesones, que saltaban de un protón a un neutrón y hacia atrás de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones débiles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales (como antes hemos descrito). También dio lugar al descubrimiento de unas 200 partículas “elementales” de vida corta, algunas de las cuales eran claramente más elementales que las otras. En la clasificación actual existen dos clases principales de partículas:

1. Leptones: electrón, muón, tau, neutrino electrónico, muónico y tau. Interaccionan electromagnéticamente y también con la fuerza nuclear débil. Estas partículas no tienen estructura interna aparente.
2. Hadrones: (bariones y mesones). Los bariones son los nucleones como el protón, neutrón, etc. Los mesones son los piones, kaones, etc. Interaccionan con la fuerza nuclear fuerte y tienen una estructura interna compleja.

La estructura hadrónica está basada ahora en el concepto de Murray Gell-Mann de quark, introducido en 1964. En este modelo, los hadrones se dividen en bariones (que se desintegran en protones) y mesones (que se desintegran en leptones y fotones). Los bariones a su vez están formados por tres quarks, y los mesones por dos (un quark y un antiquark). En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks.

Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto, pero de signos opuestos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+2/3 ó -1/3 de la carga electrónica).

La nomenclatura para describir los quarks existentes es la siguiente: up (u), down (d), charmed (c), strange (s), top (t) y bottom (b).

El protón, siendo un barión, está constituido por tres quarks: dos quarks up y un quark down (uud); y el neutrón por udd. Todos los quarks tienen su antiquark que se denota con una raya encima de la letra que corresponda a cada uno. Por ejemplo, de un quark up u, su antiquark .

Con el fin de evitar conflictos con el principio de exclusión de Pauli, se ha probado que es necesario añadir el concepto de carga de color a los seis sabores de quarks (el concepto “sabor” aquí no tiene nada que ver con el gusto). Por su complejidad para el no iniciado, dejaremos aquí el problema de los sabores y colores de los quarks que aparecen  en los tres colores primarios, rojo, verde y azul. El uso de la palabra “color” en este contexto es por analogía con los colores visuales y no significa que las partículas estés coloreadas. La teoría que gobierna estas combinaciones de sabores y colores está basada en la electrodinámica cuántica y se llama cromodinámica cuántica.

Las interacciones fuertes entre quarks se pueden entender por el intercambio de ocho partículas sin carga y sin masa en reposo, llamadas gluones (glue, pegamento en inglés) que mantienen juntos a los quarks impidiendo que se puedan separar, en realidad se mantienen en una región R ≈ hc/Λ ≈ 10^{-13 cm}, y la fuerza que se crea crece con la distancia; a más separación de los quarks, más aumenta la fuerza para impedirlo.

Aunque los gluones, como los fotones que realizan una función similar entre los leptones, no tienen carga eléctrica, sí que tienen una carga de color.

La teoría de quark completamente elaborada está ahora bien establecida por evidencias experimentales, pero como ni los quarks ni los gluones han sido identificados nunca en experimentos, la teoría no se puede decir que haya sido directamente verificada. Los quarks individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho más masivos que los hadrones que usualmente forman (debido a la enorme energía potencial que tendrían cuando se separan), y algunos teóricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentos han anunciado resultados consistentes en la presencia de cargas fraccionarias, que tendrían los quarks no ligados.

Llegados a este punto, tenemos que volver sobre nuestros pasos hacia las moléculas y los átomos para comentar propiedades y principios que será necesario tener en cuenta para comprender de lo que estamos hablando.

En el mundo de los seres vivos, por ejemplo, la escala o tamaño crea importantes diferencias. En muchos aspectos, la anatomía de un ratón es una copia de la de un elefante, pero mientras que un ratón puede trepar por una pared prácticamente vertical sin mucha dificultad (y se puede caer desde una altura varias veces mayor que su propio tamaño sin hacerse daño), un elefante no sería capaz de realizar tal hazaña. Con bastante generalidad se puede afirmar que los efectos de la gravedad son menos importantes cuanto menores sean los objetos que consideremos (sean vivos o inanimados).

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que para ellos no hay distinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del agua es mucho más importante que la fuerza de la gravedad a esa escala.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos de Van der Waals. Esta fuerza tiene un alcance muy corto; para ser precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente 1/r⁷. Esto significa que si se reduce la distancia entre dos átomos a la mitad de la fuerza de Van der Waals con la que se atraen uno a otro se hace 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza. El conocimiento de esta fuerza se debe a Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) con su tesis sobre la continuidad del estado líquido y gaseoso que le haría famoso, ya que en esa época (1873), la existencia de las moléculas y los átomos no estaba completamente aceptada.

El famoso físico inglés James Clerk Maxwell, que formuló la teoría del electromagnetismo de Faraday, quedó muy impresionado por este trabajo de Van der Waals.

Los tamaños de los seres uniceculares, animales y vegetales, se miden en micrómetros o “micras”, donde 1 micra es 1/1.000 de milímetro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pueden observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios es fascinante, pero no es el objeto de este trabajo, y continuaremos el viaje emprendido hacia las partículas elementales que forman núcleos, átomos, células y materia, así como las fuerzas que intervienen en las interacciones fundamentales del universo y que afecta a todo lo que existe.

Hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; tiene una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). La importancia del electrón es vital en el universo.

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

emilio silvera

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