El
pasado mes de Marzo tuve la suerte de visitar el gran colisionador de
partículas de Ginebra. Aunque con un poco de retraso, voy a tratar de explicar
en qué consiste y lo que allí aprendí.
En el
colegio hemos estudiado las teorías atómicas, desde Demócrito en la antigüedad
hasta la teoría de los orbitales, la que hemos llamado actual, y hemos visto
que dentro del átomo existen tres partículas “fundamentales”, protón y neutrón
en el núcleo, y electrones en la corteza.
Sin
embargo, esto no es estrictamente cierto, ya que los protones y los neutrones
están compuestos de otras partículas, más fundamentales, llamadas quarks. Creemos que quarks y electrones
si son realmente fundamentales, es decir, no están compuestos de partículas más
pequeñas, aunque es una cuestión aún abierta….
Los
físicos han descubierto más de 200 partículas, fundamentales o no, que
nombramos con las letras del alfabeto griego.
Para
intentar explicar todo esto se ha creado una
teoría llamada el modelo Standard,
que trata de explicar qué es la materia y cómo actúan todas las fuerzas
existentes en el universo.
Se
basa en que existen dos tipos de partículas:
·
Partículas portadoras
de fuerza: Cada tipo de fuerza fundamental lleva asociada una partícula
“portadora de esa fuerza”. El fotón, como veremos es un ejemplo.
·
Partículas materiales,
que estarán compuestas de electrones, protones y neutrones. En realidad
podríamos decir de electrones y quarks ya que protones y neutrones están
formados por quarks.
Empecemos
por las segundas; tipos de partículas materiales:
·
Leptones: Existen
seis tipos de leptones, tres de ellos con carga eléctrica negativa y los
otros tres sin carga eléctrica. Los tres cargados son el electrón (e), el muón
(
,
y la partícula Tau (
.
Estos dos últimos son básicamente electrones pero de masa mucho mayor. Los tres
sin carga son los neutrinos, de masa muy pequeña (si es que tienen que aún no
está del todo claro) y muy rápidos. Existe un tipo de neutrino para cada tipo
de leptón. Esta partícula se ha hecho muy famosa este último año cuando un
experimento determino que viajaban a una velocidad mayor que la de luz. De
haber sido cierto habría hecho tambalearse los cimientos de la física, pero tal
y como se demostró más tarde, todo se debió a un error de medida de los
experimentadores. Además existen los que se llaman leptones de antimateria, de
la misma masa pero de carga opuesta. Siempre que la materia y la antimateria
entra en contacto se aniquila, formando energía. Los leptones pueden existir aislados en la naturaleza.
·
Quarks: También
existen seis tipos de quarks, pero aparecen siempre agrupados en 3 pares. Todos
ellos tienen carga eléctrica fraccionaria, que pondré entre paréntesis a
continuación. El protón y el electrón tienen carga eléctrica +1 y -1,
respectivamente. Estos pares de quarks son:
o Up (2/3) y Down (-1/3)
o Charm (2/3) y Strange (-1/3)
o Top (2/3) y Bottom (-1/3)
Para cada tipo de quark también
existe un quark de antimateria.
Los quarks no pueden existir aislados, sino en
agrupaciones de quarks. A estas agrupaciones de quarks se les llama hadrones. La carga de un hadrón
siempre es un número entero. Existen hadrones de dos tipos:
o Bariones: Unión de tres quarks. Los más habituales son:
§ Protón: Unión de 2 quarks up y 1 Down
§ Neutrón: Unión de 1 quark up y 2 Down
o Mesones: Son la unión de un quark y un antiquark
Tanto
los leptones como los quarks están constituidos en tres grupos que llamamos
generaciones. Cada generación es más pesada, tiene más masa que la anterior.
Pero la naturaleza es vaga y prefiere estar en estados estables donde la energía
es mínima, y por eso las partículas de
segunda y tercera generación son inestables (su tiempo de vida es inferior al micro segundo) y derivan a partículas de la primera generación, de la
que está constituida toda la materia del universo.
Todo
esto nos podría servir para saber de qué está hecho el mundo, pero ¿Qué es lo
que hace que estas partículas se unan y formen los objetos que vemos y
tocamos? La respuesta está en las
interacciones fundamentales. ¿Os habéis dado cuenta de que en la última imagen
hay una columna rosa de la que no hemos hablado?
Durante
los cursos inferiores del colegio hemos estudiado el concepto de fuerza. Sin
embargo en 2º Bachillerato introducimos el concepto de interacción. En muchas
ocasiones estos dos términos se usan como si fueran sinónimos. Nos referimos a
interacción normalmente cuando hablamos de las partículas portadoras de la
fuerza.
Todas
las interacciones que afectan, a
partículas materiales son producidas por un intercambio de partículas
portadoras de fuerza. Es decir, que una partícula es afectada por una
interacción si puede absorber o producir la partícula de fuerza característica
de esa interacción.
Las
cuatro interacciones fundamentales son:
·
Gravitatoria:
Esta interacción no está incluida en el modelo estándar ya que es muy pequeña
entre partículas. Ya sabéis esa constante G (6,67 ·10-11 SI) tan
pequeñita con esas masas tan minúsculas, hace que sea inapreciable. Es una
fuerza muy débil, salvo que estemos hablando de masas muy grandes. Los
científicos aún no han descubierto la existencia de la partícula portadora de
la gravedad, pero predicen su existencia y la llamarían gravitón.
·
Electromagnética: Desde
pequeños sabemos que cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se
atraen, pero ¿Cómo ocurre esto? Intentaré explicar esto con un ejemplo muy
básico. Si yo te lanzo un balón de baloncesto tú al recogerlo te echas hacia
atrás. Se habría producido una fuerza repulsiva entre tú y yo por culpa de una
partícula portadora, el balón. En el caso de la fuerza electromagnética las
partículas que se repelerían serían dos cargas positivas (protones por ejemplo)
y el balón sería sustituido por la partícula
portadora de la fuerza electromagnética, el fotón. ¿Lo has entendido? Lo
más sorprendente es que esto también funciona para explicar las fuerzas
atractivas. Si una partícula negativa “lanza” un fotón a una positiva cuando la
positiva lo recibe no se va hacia atrás sino hacia delante, es atraído por el
fotón hacia la negativa.
Pero
entonces, si hemos estudiado que el núcleo es estable y está formado por
protones de carga positiva, es decir que se repelen ¿Cómo es posible que el
núcleo se mantenga estable, es decir, que no se desintegre? La respuesta nos la
da la tercera interacción.
·
Fuerte: Sucede
que entre los quarks de núcleo (que además de la carga electromagnética tienen
otra carga llamada carga de color) aparece una interacción atractiva muy fuerte
debido a esta carga de color. A la partícula de fuerza responsable de esta
interacción se la conoce como gluón, y
es una interacción atractiva tan grande que permite la estabilidad del núcleo.
La forma de interactuar de los gluones con los quarks podemos imaginárnosla de
forma parecida al fotón con los electrones y protones. Es importante destacar
que solo los quarks y gluones tienen carga de color y por tanto los gluones
interactúan con quarks únicamente.
Y por
último está la interacción débil.
Tratando de simplificar mucho
·
Débil: Esta
interacción es la responsable de que los leptones y quarks más masivos decaigan
a los más livianos. Es una fuerza repulsiva. Las partículas portadoras de este
tipo de fuerza se las conoce como bosón W+, W-, y Z.
Siempre que un leptón o quark decae (muón cambiando a electrón por ejemplo…),
desaparece y en su lugar aparecen dos o más partículas. A esto se le llama un
cambio de sabor. Se da la circunstancia de que la masa de las partículas
resultantes siempre es menor que la de la partícula original, lo que se explica
con un desprendimiento de energía (Recuerda E = mc2).
He
intentado resumir, en pocas líneas lo que los físicos llaman el modelo estándar,
que es en lo que se basa la física de partículas actual y que resumen en esta
“simple ecuación” en palabras textuales del investigador que me enseñó el CERN.
Pero,
te estará preguntando, que tiene esto que ver con el CERN DE GINEBRA….Lo
veremos en el siguiente capítulo.
