Hace unos 2600 años, surgió en un pequeño conjunto de colonias comerciales griegas nuestra actual forma de investigar, conocer y ,en definitiva, pensar: el LOGOS. En este blog, se pretende avivar el espíritu de esos primeros científicos. Un lugar en el que la opinión, el debate y el análisis predominen sobre el simple conocimiento de hechos, datos y cifras. Dejemos a un lado las apariencias y sumerjámonos en el mundo de las esencias.

viernes, 21 de agosto de 2009

Todo reducido a dos clanes: el modelo estándar de partículas

No se trata de dos familias enfrentadas sino todo lo contrario, de las correctas interacciones entre ellas surge el mundo tal y como lo conocemos. Se trata del modelo estándar de partículas, el cual fue creado entre los años 60 y 70 por un sinfín de científicos que casi a un ritmo diario descubrían partícula tras partícula. Sin embargo, su unificación total se debió al físico Steve Weinberg quien logró con ello crear una teoría que unificaba las fuerzas nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnética. Sólo la correosa gravedad escapaba a esta genial unificación.

Según esta teoría todo queda reducido a dos familias, mejor dicho dos posibilidades, dos comportamientos únicos posibles para las unidades elementales que nos constituyen: las partículas.




Es bien sencillo de comprender. Expone que esas pequeñas partículas (imaginémoslas pequeñas bolitas materiales) presentan la capacidad de generar un campo magnético a su alrededor, hecho que se conoce como spin. La teoría supone que en la naturaleza existen dos grandes grupos: las partículas que posen spin 1/2 o fermiones y aquellas con spin 1, los bosones. Esta insignificante diferencia en esta propiedad las hace tremendamente diferentes, encomendándoles una de las dos posibles misiones de la naturaleza.


Los fermiones o particulas con un spin de 1/2 son aquellas partículas que poseen masa y, por lo tanto que constituyen el mundo material tal como lo conocemos. Son las componentes de los átomos.

Como bien sabemos, los átomos se componen de dos partes totalmente diferentes: el núcleo, que alberga la mayor parte de la masa, y la corteza electrónica. Por tanto, la familia de los fermiones distingue entre partículas que componen el núcleo o quarks y las partículas de la corteza, los leptones, entre los que se encuentra el electrón.
Los quarks se caracterizan por poseer carga fraccionaria mientras que los leptones poseen carga -1 o 0, es decir, entera.
Los quarks son de gran importancia ya que son los responsables de la existencia de los protones y neutrones atómicos. Son los componentes elementales de estos. Quedan agrupados en tres parejas posibles dependiendo de su estabilidad energética. La pareja más estable, es decir la de menor energía es la que compone la materia tal cual la conocemos. Es la pareja Up/Down. Se han descubierto otras dos más: Charm/Strange y Top/Bottom. Volviendo al núcleo, los protones se componen de dos quarks up y un down. Los neutrones de un up y dos down. Como los quarks down tienen carga -1/3 y los up, +2/3 se explica el porqué a que la carga del neutrón sea de 0 y la del protón de +1.
Por otro lado, y todavía dentro de este mundo material que representan los fermiones, se encuentran los leptones, partículas de carga entera. Al igual que los quarks encontramos diferentes leptones según su energía y estabilidad. Como es de esperar, la partícula de menor energía es la que constituye las cortezas atómicas: el electrón. Existen dos estados energéticos mayores en los leptones: los muones y los tauones. Sin embargo, la familia de los leptones no quedaría completa sin los los neutrinos correspondientes: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico.
Todas estas partículas presentan sus antipartículas correspondientes, las cuales consisten en partículas de igual masa y de carga contraria a aquella de la que proceden. Por ejemplo, el positrón o antielectrón tiene la misma masa que el electrón y carga +1. Asimismo, también existen antiquarks. Todas estas antipartículas constituyen la conocida como antimateria.



Sin embargo, hasta ahora no hemos hecho más que hablar de partículas materiales. Si sólo nos compusiéramos de partículas materiales no existiríamos ya que los fermiones de los que hemos hablado necesitan interaccionar entre sí para componer unidades elementales mayores (átomos, moléculas, etc). Los fermiones interaccionan unos con otros gracias a la existencia de otras partículas, los bosones, que carecen de masa y carga.

Los bosones son las partículas mediadoras de la fuerza. Carecen de carga y masa, pero poseen un spin de 1. Gracias a ellas existen las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: nuclear débil, nuclear fuerte, gravitatoria y electromagnética. La naturaleza necesita las fuerzas para funcionar, al igual que un automóvil el combustible. Los bosones, también conocidos como bosones de Gauge son: para la fuerza nuclear fuerte, el gluón, para la débil, las partículas W+ , W- y Z0 y el fotón como mediador de la fuerza electromagnética. Asimismo, existen otros tipos de bosones conocidos como mesones, tales como el kaón y el pión, que forman parte de la obsoleta teoría del intercambio mesónico formulada por el japonés Hidei Yukawa.

Por tanto, nuestro mapa de partículas queda completo: tenemos a las responsables de la materialidad y a aquellas que median las fuerzas. Sin embargo, necesitó de dos pequeños ajustes que a día de hoy están siendo sometidos a experimentación.


Por un lado, y como algo exitoso, esta teoría permitió unificar bajo una misma ecuación a las dos fuerzas nucleares (fuerte y débil) y al electromagnetismo, creando una teoría del "casi todo". Pero en esa ecuación aparecía un valor desconocido que corresponde con una partícula aún no descubierta. Esa partícula ha sido bautizada como bosón de Higgs, o más recientemente "partícula de Dios" y se postula que es la responsable de la existencia de la masa. Estas partículas inundarían el espacio-tiempo, siendo la masa ni más ni menos la dificultad de desplazamiento que experimentarían los fermiones al toparse con este océano bosónico. Actualmente, dos grupos de científicos rivales trabajan contrarreloj en dos aceleradores de partículas. Uno en el Tevatrón del Fermilab, en EEUU, el otro en el LHC del CERN, en Suiza. A día de hoy, el Fermilab es el que posee más posibilidades de ver el rostro de Dios, tras los recientes problemas técnicos acontecidos en el CERN.

Por otro lado, la unificación entre la fuerza electrodébil (nuclear débil + electromagnetismo) y cromodinámica cuántica (nuclear fuerte) no es exactamente perfecta si consideramos la teoría íntegramente como la hemos expuesto. Para que todas las ecuaciones funcionen a la perfección se hace necesaria la introducción de la supersimetría, es decir, la suposición de partículas indetectables que serían exactamente iguales a las anteriormente citadas. Aunque parezca algo que da complejidad a la teoría, simplifica enormemente los cálculos y la exactitud de la teoría. Además, permite dar una explicación a la existencia de la materia oscura, es decir, de materia indetectable (no debemos confundir la materia oscura con la antimateria. Ésta última es detectable y de hecho es utilizada en Medicina Nuclear en la técnica de la tomografía por emisión de positrones (PET)). El descubrir éstas pártículas supersimétricas es otra de las investigaciones que tanto el Fermilab como el CERN están llevando acabo actualmente.


El modelo estándar nos resulta familiar y fácil de comprender. Sin embargo, a pesar de sus éxitos sigue sin lograr la unificación entre la fuerza gravitatoria y las otras tres. Aún queda sin resolver, aquello que tanto preocupa a los físicos: el llegar a una teoría del todo que no unifique tres fuerzas sino las cuatro. El modelo estándar se nos queda corto. Sin embargo, una teoría muy controvertida, aunque cada vez con más adeptos, logra unificar todas las fuerzas de la naturaleza: se trata de la teoría de cuerdas. Su demostración definitiva se está poniendo también a prueba tanto en el CERN como el Fermilab.

2 comentarios:

BrunOn dijo...

Tremendamente interesante! La de las cuerdas es entonces la más abarcadora? Creo que oi de la teoría de las membranas, pero realmente no llego a comprender (a nivel físico-cuántico) la precisión de cada una, simplemente quedo como un simio admirando los fuegos artificiales.
Como sea, felicidades por un post enriquecedor.

Galioleo dijo...

Gracias por tu comentario.Mi pretensión en este post no era hablar de la teoría de membranas pero sí, tienes razón, la teoría que realmente explica el universo con detalles la Teoría M o de membranas enunciada por Ed Witten. La teoría de cuerdas ya unificaba todas las fuerzas pero tenía un problema: llegaron a surgir hasta 5versiones de la misma. Ed Witten acabó con esta multiplicidad introduciendo el concepto de membranas. Según él, nuestro universo se encuentra contenido en una de esas membranas. Además esta teoría supone la existencia de universos paralelos.
Muchas gracias. Se agradecen los comentarios. Este blog es un tanto silencioso.

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