Física de partículas elementales

En 1897, el físico inglés J. J. Thomson causó una enorme conmoción en el mundo científico con su anuncio del descubrimiento del electrón. Esta partícula, responsable de la mayoría de los fenómenos de transmisión de electricidad, pasó a considerarse la unidad elemental de la carga eléctrica.

En los años siguientes, aquel hallazgo fundacional fue seguido por el de una verdadera multitud de nuevas partículas. Algunas se ubicaban prioritariamente dentro de los núcleos atómicos, como los protones y los neutrones. Otras aparecían en numerosas interacciones físicas. El vocabulario de la ciencia se enriqueció con nuevos nombres de partículas: neutrinos, muones, mesones, kaones, en distintas variantes y «sabores» y con sus correspondientes antipartículas, de idénticas características pero carga eléctrica opuesta. A ellas se sumaron otras de naturaleza diferente, como los fotones y otros bosones, con cualidades e interpretaciones singulares.

La prolija tarea de identificación, caracterización y ordenamiento de estas entidades desembocó en el desarrollo de una teoría global para las mismas que se ha dado en denominar modelo estándar de las partículas elementales. Este modelo funciona razonablemente bien para los fines de los estudios de laboratorio y la observación natural. No obstante, adolece de una falta de sencillez formal que ha estimulado avances en teorías alternativas o complementarias de indudable interés.

Una de las más llamativas de estas propuestas es la teoría de cuerdas. Esta hipótesis, que en los inicios del siglo xx contaba con numerosos adeptos en la comunidad científica, aún sin haberse comprobado en los experimentos, supone que las partículas no son entes puntuales, sino «lazos», abiertos o cerrados, a los que se llama cuerdas. De este modo, la forma de vibración u oscilación de estos lazos elementales produce las distintas familias y clases de partículas, de igual forma que la pulsación de las cuerdas de un violín engendra las distintas notas y armónicos de que se compone la música.

Partículas elementales

Se denomina partículas elementales a aquellas entidades físicas que no contienen una subestructura interna. Esta definición ha de entenderse como distinta de la que define el concepto de partículas subatómicas. Según el modelo al uso de los átomos, éstos son los componentes mínimos individuales que identifican una clase determinada de materia, es decir, un elemento químico. Los átomos de oro son diferentes de los de plomo, y éstos de los átomos de hidrógeno, de manera que sus asociaciones en moléculas producen compuestos de características bien determinadas.

Sin embargo, los átomos no son partículas elementales, aunque en algún momento histórico así se creyera, ya que están integrados por otra serie de entidades menores, como son los protones y los neutrones en el núcleo y los electrones en la corteza o envoltura atómica. Los electrones se consideran partículas elementales, pero no sucede así con los neutrones y protones. Estas partículas, denominadas genéricamente nucleones porque definen la composición del núcleo atómico, no son indivisibles sino que están compuestas por subunidades menores denominadas quarks y antiquarks.

Esta primera distinción entre partículas elementales (por ejemplo, electrones y quarks) y partículas subatómicas no elementales (como los neutrones y los protones) es de gran valor en el modelo estándar de partículas. En la actualidad, este modelo ha establecido una clasificación de tales partículas de acuerdo con una cualidad intrínseca de las mismas, denominada espín.

En el contexto de la mecánica cuántica, que es el idóneo para describir las características de las partículas elementales y subatómicas, el espín se define como el momento angular intrínseco de cada partícula. Este momento angular no sólo tiene una magnitud o módulo, sino también una dirección, aunque, desde el punto de vista cuántico, el concepto mismo de dirección sea un tanto difuso, no tan relacionado con un eje de giro como sucede con la física clásica.

Con arreglo al valor de su espín, las partículas elementales conocidas por la física se clasifican en dos grandes grupos: fermiones y bosones. Las primeras tienen un espín semientero (múltiplo impar de 1/2) y de ellas se conocen doce variedades o «sabores». Las segundas poseen espín entero y se han vinculado con la naturaleza de las interacciones fundamentales de la física.

Las partículas de materia

Los fermiones, partículas elementales con espín semientero, se corresponden con las denominadas partículas «de materia». Con ello se pretende indicar que son los componentes mínimos de los entes materiales conocidos en la naturaleza, en particular los átomos y entidades subatómicas.

La característica distintiva de los fermiones es el hecho de que obedecen al denominado principio de exclusión de Pauli. Este principio, que sirve para comprender la configuración de los electrones en los orbitales atómicos que rodean a los núcleos, establece que no pueden existir dos fermiones que ocupen el mismo estado cuántico en el mismo instante. A la escala de un átomo, por ejemplo, los electrones se reparten en orbitales en parejas de dos por orbital, tales que los electrones de cada par poseen espín opuesto (+1/2 en uno y –1/2 en el otro). Si hubiera más de dos electrones por orbital se violaría el principio de exclusión.

El modelo estándar reconoce la existencia de doce partículas elementales fermiónicas, con sus correspondientes antipartículas. Seis de estas partículas son leptones (con seis antileptones) y las otras seis se encuadran en la familia de los quarks (y sus correspondientes antiquarks). Estas partículas y sus características se encuentran detalladas en la tabla 1.

Tabla 1. Partículas elementales fermiónicas, con sus propiedades físicas principales.

Los leptones son partículas no vinculadas a los núcleos atómicos y que, por tanto, no se hallan sometidas a la denominada interacción nuclear fuerte (la cual se verá más adelante). Comprenden el electrón, el muón y el tauón o partícula tau, los tres provistos de carga eléctrica no nula; y los neutrinos electrónico, muónico y tau, unas partículas muy elusivas y difíciles de detectar. La antipartícula del electrón recibe el nombre de positrón.

Representación esquemática de: (1) un protón, constituido por dos quarks arriba (up, o u) y uno abajo (down, o d); (2) un neutrón, formado por dos quarks abajo (d) y uno arriba (u).

La propiedad más interesante de los quarks (y antiquarks, sus antipartículas) es el denominado confinamiento. Estas partículas no se observan individualmente en la naturaleza, sino siempre combinadas en distintas formas y variedades para configurar las partículas subatómicas denominadas hadrones, a las que pertenecen los protones y neutrones de los núcleos de los átomos. Las seis variedades de quarks conocidas han sido bautizadas con los sugerentes nombres de arriba (en inglés, up), abajo (down), encanto (charm), extrañeza (strange), cima (top) y fondo (bottom).

Interacciones físicas y partículas mensajeras

Las restantes partículas elementales contempladas en el modelo estándar corresponden a las denominadas «partículas de fuerza», las relacionadas con las interacciones fundamentales de la física. Estas interacciones fundamentales se entienden, según el estado actual de la ciencia, como las cuatro clases de relaciones que pueden darse entre los sistemas físicos, aun cuando éstos no se encuentren en contacto entre sí: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

La acción de la Luna sobre las mareas responde al modelo de interacción gravitatoria; los rayos, por su parte, son un ejemplo de interacción electromagnética.

La interacción gravitatoria es conocida desde muy antiguo y fue descrita por Isaac Newton en su ley de gravitación universal y por Albert Einstein en su teoría de la relatividad general que engloba a la anterior. Esta interacción se manifiesta en forma de una atracción de las masas entre sí por su propia presencia en el espacio-tiempo y se percibe en la escala macroscópica. Demuestra su influjo, por ejemplo, en la atracción que ejerce la Tierra sobre los objetos de su superficie, la que mantiene las órbitas de los planetas alrededor del Sol, la que empuja las mareas, etc.

La segunda clase de interacción fundamental estudiada por la física fue el electromagnetismo. Este fenómeno es responsable de la atracción y repulsión entre las cargas eléctricas y se percibe a escala macroscópica, a través de hechos naturales como los rayos y los relámpagos y los imanes, y también en la corriente eléctrica que alimenta el funcionamiento de los electrodomésticos, etc. Tales hechos son efectos de unos fenómenos de escala atómica y molecular que mantienen los electrones (de carga eléctrica negativa) distribuidos en orbitales alrededor de los núcleos atómicos (de carga positiva acumulada y variable según su número de protones).

Las dos últimas interacciones fundamentales tienen importancia únicamente en la escala subatómica y nuclear. La interacción nuclear fuerte mantiene cohesionados los núcleos atómicos y, aunque de alcance muy limitado, posee una potencia muy superior a la de la interacción electromagnética. La nuclear débil, por su parte, se asocia a sucesos como la radiactividad beta y explica los cambios de unas partículas elementales en otras de diferentes energías y masas.

El modelo estándar interpreta estas interacciones como el intercambio en los sistemas implicados de unas partículas elementales que reciben el nombre de mensajeras, «partículas de fuerza» o, estrictamente, bosones. Es sabido, por ejemplo, que la interacción electromagnética se debe a la intervención de fotones, los cuantos de luz del efecto fotoeléctrico. Análogamente, se han descubierto otras partículas, denominadas bosones gauge, que explican la naturaleza de la interacción nuclear débil.

Tabla 2. Partículas elementales bosónicas, con sus propiedades físicas principales.

Siguiendo este modelo, para las interacciones nuclear fuerte y gravitatoria se ha postulado la existencia de sendas partículas mensajeras o bosónicas, a las que se ha bautizado, respectivamente, con los nombres de gluón y gravitón. Del gluón existen referencias de observación en laboratorio, aunque indirectas. En cuanto al gravitón, sigue manteniéndose como una mera hipótesis teórica y no ha sido observado nunca en la naturaleza.

A diferencia de los fermiones, los bosones no cumplen el principio de exclusión de Pauli. Por ello, es posible encontrar bosones en un mismo estado cuántico en el mismo instante. Esta cualidad se ha aprovechado, por ejemplo, en la fabricación de dispositivos de láser, en los que todos los fotones (una clase de bosones) de una radiación electromagnética comparten un mismo estado cuántico (v. partículas elementales bosónicas en la tabla 2).

Instalación del detector de silicona del Fermilab. El Fermilab es un acelerador de partículas ubicado en el estado estadounidense de Illinois y especializado en la investigación sobre partículas elementales de alta energía.

Teorías de unificación. El desarrollo de la física teórica desde mediados del siglo xx ha estado marcado por los esfuerzos de lograr una gran teoría de unificación de las interacciones fundamentales y de las partículas elementales. Este intento tiene su origen en la fructífera unión, en el pasado, de la electricidad y el magnetismo en un solo modelo, el electromagnetismo, por medio de un conjunto unificado de ecuaciones. Este desarrollo teórico ha permitido encauzar las investigaciones de manera que hoy se sabe que el magnetismo es una consecuencia de la peculiar distribución de las cargas eléctricas dentro de los materiales.

Análogamente, en 1979 Sheldon Glasgow, Abus Salam y Steven Weinberg recibieron el Premio Nobel de física por demostrar que electromagnetismo e interacción nuclear débil pueden definirse a altas energías por medio de un único conjunto de ecuaciones. Esta unión se ha dado en llamar interacción electrodébil, y existen indicios sobre la posibilidad de conseguir extenderla en un futuro a la interacción fuerte para constituir la hipotética interacción electrodébil-fuerte.

En la base de estos trabajos de unificación está el convencimiento de que las distintas partículas mensajeras de estas interacciones se fundirían en un único estado primordial si pudiera alcanzarse una temperatura (o energía) suficientemente alta. Este campo de investigación se centra en el uso de los aceleradores de partículas. Con todo, existen grandes dificultades para integrar en el marco general a la interacción gravitatoria y a los gravitones.