EL MUNDO SUBATÓMICO

Partículas anteriores a los aceleradores

A mediados de la década del 30, la comprensión de la estructura fundamental de la materia parecía ser casi completa. Décadas antes, Rutherford había mostrado que los átomos tienen un núcleo, relativamente diminuto pero masivo. La teoría cuántica había dado sentido a los espectros y a los orbitales atómicos. El descubrimiento del neutrón había explicado la existencia de isótopos nucleares. Es decir, los protones, los neutrones, y los electrones eran los bloques constitutivos de toda la materia. Sin embargo, aún restaba resolver algunos enigmas. ¿Qué mantiene juntos a los protones y los neutrones para formar el núcleo? ¿Cuáles son las fuerzas involucradas en los decaimientos radioactivos de los núcleos, en los que se producen los rayos alfa, beta y gama?

La llegada del acelerador

Para estudiar el núcleo y las interacciones de los neutrones y protones que lo forman, los físicos necesitaron una herramienta que fuera capaz de penetrar en el interior del diminuto núcleo, del mismo modo en que los experimentos de dispersión, habían penetrado en el interior de los átomos. El acelerador es una herramienta que les permite a los físicos, descomponer estructuras muy pequeñas, produciendo partículas con ímpetu muy alto y, por lo tanto, de longitud de onda corta . La longitud de onda () de la onda asociada a una partícula es inversamente proporcional al ímpetu (p) de la partícula (= h/p), donde h = constante de Planck.
Los experimentos de partículas estudian las colisiones entre partículas de alta energía, producidas en aceleradores. En los experimentos modernos, el punto de colisión está rodeado por grandes detectores multi-capa. Cada capa del detector tiene una función específica, rastreando e identificando cada una de las muchas partículas que se pueden producir en una sola colisión.

La explosión de las partículas

Para sorpresa de los físicos, los experimentos con aceleradores revelaron que el mundo de las partículas era mucho más rico de lo que creían; fueron descubiertos muchos más tipos de partículas, similares a los protones y neutrones, (llamados bariones) y toda una nueva familia de partículas llamadas mesones. A comienzos de la década del 60, fueron identificados unos cien tipos de partículas, y los físicos aún no podían comprender en forma completa, las fuerzas fundamentales.

La propuesta del quark

En 1964, dos físicos - Murray Gell-Mann y George Zweig - independientemente, dieron con la idea que los neutrones , los protones, y todas las nuevas partículas podrían ser explicadas a partir de unos pocos tipos de objetos aún más pequeños; Gell-Mann los llamó quarks; y por medio de los quarks ellos pudieron explicar todos los bariones y mesones observados utilizando sólo quarks de tres tipos (los ahora llamados up (arriba), down (abajo), y strange (extraño)), junto con sus correspondientes antiquarks. Lo revolucionario de su idea fue que debieron asignar a los quarks cargas eléctricas de 2/3 y -1/3, en unidades de la carga del protón; cargas como éstas nunca habían sido observadas!
Los antiquarks son los compañeros de antimateria de los quarks; tienen la misma masa, pero su carga es opuesta a la del correspondiente quark. Cuando un quark se topa con un antiquark, ambos pueden aniquilarse , desapareciendo, para dar algún otro tipo de energía.

El Modelo Standard

Cerca de treinta años más tarde, y después de muchos experimentos, la idea del quark ha sido confirmada. Ahora forma parte del Modelo Standard de las Partículas e Interacciones Fundamentales. Los nuevos descubrimientos han mostrado que hay seis tipos de quark (que fueron llamados up (arriba), down (abajo), strange (extraño), charm (encanto), bottom (fondo), y top (cumbre), en orden creciente de masa). También existen seis tipos de partículas, incluyendo el electrón, llamadas leptones. El Modelo Standard tiene en cuenta las interacciones fuertes, débiles, y electromagnéticas de los quarks y leptones, y explica el patrón seguido por las uniones nucleares y por los decaimientos.

Partículas compuestas de quarks

La razón por la cual nunca han sido observadas cargas eléctricas fraccionarias, como las de los quarks, es que los quarks nunca han sido encontrados separados, sino sólo formando parte de partículas compuestas llamadas hadrones. Hay dos clases de hadrones: bariones, que contienen tres quarks, y mesones, que contiene un quark y un antiquark. La tabla de ejemplos de hadrones, mostradas en la tabla del Modelo Standard, brinda unos pocos ejemplos de las muchas partículas conocidas. Las partículas hechas con los primeros cinco tipos de quark, han sido producidas y estudiadas en los aceleradores. El quark top es tan masivo que, para producirlo, se necesitaron muchos años y aceleradores de muy alta energía. Fue finalmente descubierto en abril de 1995 en el Fermilab.

Los leptones

En contraste con los quarks, cualquiera de los seis leptones pueden encontrarse solos. El electrón es el leptón más conocido. Otros dos leptones cargados, el muón, (descubierto en 1936) y la partícula tau (descubierta en 1975), difieren del electrón sólo en que son más masivos que éste.
Los otros tres leptones son partículas muy huidizas llamadas neutrinos, que no tienen carga eléctrica, y muy poca masa, si es que tienen masa alguna. Hay un tipo de neutrino para cada tipo de leptón cargado eléctricamente. Para cada uno de los seis leptones hay, además, un antileptón, que tiene igual masa y carga opuesta.

Fuerzas e interacciones

Ahora ya conocemos los bloques constitutivos de la materia, pero aún debemos preguntarnos: ¿qué la mantiene unida? Todas las fuerzas son debidas a las interacciones entre las partículas. Las interacciones son de cuatro tipos: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes, y débiles. La gravedad es tal vez la fuerza más familiar para nosotros, pero no está incluída en el Modelo Standard, porque sus efectos son despreciables en los procesos entre partículas fundamentales y, además, porque los físicos aún no han resuelto el problema de cómo incluirla.
Las fuerzas electromagnéticas también son familiares; son las responsables de ligar los electrones el núcleo, para formar átomos eléctricamente neutros. Los átomos se combinan entre sí para formar moléculas o cristales, a causa de efectos electromagnéticos producidos por su subestructura cargada. La mayoría de las fuerzas cotidianas, como el soporte que nos brinda el suelo, o la fricción, son debidas a las fuerzas electromagnéticas, de la materia que se resiste al desplazamiento de sus átomos o electrones, de sus posiciones de equilibrio en el material.
En los procesos entre partículas, se describen las fuerzas como si fueran producidas por el intercambio de otras partículas "mediadoras"; para cada tipo de fuerza hay una partícula mediadora asociada. La partícula mediadora de la fuerza electromagnética es el fotón; el fotón producido en una transición nuclear se llama rayo gama.
Para distancias mucho mayores que el tamaño de un núcleo atómico, las restantes dos fuerzas tienen sólo un efecto despreciable -- por eso nosotros nunca las notamos en la vida cotidiana. Sin embargo dependemos de ellas para la existencia de todo la materia con la que está hecho el mundo, y también para los procesos de decaimiento, por los cuales se hacen inestables algunos tipos de materia.
La fuerza fuerte mantiene unidos a los quarks entre sí, formando hadrones; sus partículas mediadoras se llaman, caprichosamente, gluones porque "pegan (en inglés glue=goma de pegar)" exitosamente los quarks entre sí. La unión de los protones y los neutrones para formar los núcleos es un efecto residual de la interacción fuerte entre sus constituyentes: los quarks y los gluones. Los leptones no intervienen en las interacciones fuertes.
Las interacciones débiles son las únicas mediante las cuales un quark se convierte en otro quark, de otro tipo, o bien un leptón se convierte en otro leptón. Son las responsables del hecho que todos los quarks y leptones más masivos, decaen para producir quarks y leptones más livianos. Esta es la razón por la cual la materia estable que nos rodea contiene sólo electrones y los dos tipos de quark más livianos (up (arriba) y down (abajo)). Las partículas mediadoras de las interacciones débiles son los bosones W y Z. El decaimiento beta de los núcleos fue el primer proceso débil observado: en un núcleo, en el que haya suficiente energía, un neutrón se convierte en un protón y despide un electrón y un neutrino de antielectrón. Este decaimiento modifica el número atómico del núcleo. El nombre dado al electrón emergente es rayo beta.
Ya hemos explicado los rayos beta y gama; ¿qué hay de los rayos alfa? La partícula alfa es un núcleo de helio - uno de los productos de una fisión nuclear. La fisión es la ruptura de un núcleo masivo, para formar núcleos más pequeños; ocurre cuando la suma de las masas de los núcleos pequeños es menor que la masa del núcleo del cual provienen. y es un efecto residual de la interacción fuerte.

¿Cuáles preguntas resta responder?

El Modelo Standard responde muchas de las preguntas sobre la estructura y estabilidad de la materia, mediante sus seis tipos de quarks, sus seis tipos de leptones, y sus cuatro tipos de fuerza.
Pero el Modelo Standard deja muchas otras preguntas sin contestar: ¿Por qué hay tres tipos de quarks y leptones de cada carga? ¿Hay algún patrón para sus masas? ¿Existen más tipos de partículas y fuerzas, a ser descubiertas en aceleradores de energía aún mayor? ¿Son los quarks y los leptones realmente fundamentales; o ellos mismos tienen también una subestructura? ¿Cómo pueden incluirse las interacciones gravitacionales? ¿Qué partículas forman la materia oscura del universo?
Preguntas como éstas impulsan a los físicos de partículas a construir y operar nuevos aceleradores, para que las colisiones de más alta energía obtenidas en ellos, puedan proporcionar pistas acerca de las respuestas.