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¿Qué es un hadrón? (Introducción a la Física de Partículas) [El físico responde]

Mientras trabajaba en un post sobre el Large Hadron Collider, me puse a escribir una explicación de qué es un hadrón muy desmenuzaíta, pero me quedó demasiado larga. Así que, al final, he decidido “actualizarla” para ser una especie de introducción muy básica a la física de partículas, para aquellos que no han tenido la horrible desgracia oportunidad de estudiarlo. Os la voy a poner aquí en su propio post, que luego completaré, seguramente mañana o pasado, con otro más general hablando del experimento del LHC.

En este post, voy a dar una especie de “curso intensivo” de Física de Partículas, a un nivel muy básico. La idea, que ojalá me salga bien, es que quien tenga algo de interés por el tema pero no sepa muy bien qué significa cada cosa pueda leerlo y acabar un poquito más informado. (Viendo el tocho que me ha quedado, con que ninguno de mis lectores se tire por una ventana me doy por satisfecho :D)

Debido a su extensión y a lo enrevesado del tema, este no es un post para leerse a la ligera, así que no os recomiendo que lo leáis si vais con prisa o si el tema no os interesa un comino. Por otra parte, si tenéis por delante un día de lluvia, un viaje largo, o una fuente de aburrimiento similar, espero que este texto os aclare algunos conceptos que resultan un poco difíciles de entender a la primera.

He tratado de evitar, en la medida de lo posible, usar como punto de partida bases físicas que no sean muy generales, de modo que lo que explico aquí sea accesible para la mayoría de los lectores aunque no hayan visto nada parecido en su vida. De todas formas, y como no podría ser de otro modo, admito todo tipo de críticas y/o sugerencias a través de los comentarios.

Como el origen de este post fue otro post que estaba preparando sobre el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, creo que es adecuado empezar por…

Veamos. ¿Qué es un “hadrón” de estos que están tan de moda?
Un hadrón es una partícula formada por un estado ligado de varios quarks y que interactúa a través de la interacción nuclear fuerte.

Venga, ahora en serio. ¿Qué es un “hadrón”?
¡De verdad que es eso! 😀 Para poder entender la definición, vamos a ir pasito a pasito.

Bueno, ¿qué es una “partícula”?
Cuando chiquititos, a todos nos han enseñado que la materia está hecha a base de piezas cada vez más pequeñas. Así, en el Sistema Solar está la Tierra, en la Tierra está España, en España está la casa de Gran Hermano, en la casa de Gran Hermano está Ismael Beiro, y así sucesivamente. Cuando vamos llevando al extremo esta subdivisión, cada vez nos quedamos con piezas más pequeñas hasta llegar al átomo.

Un átomo, cuyo nombre proviene del griego y significa precisamente “indivisible”, es el pedacito de materia más pequeño que conserva sus propiedades químicas. Dicho de otro modo, si vamos dividiendo un bloque de oro en trocitos de oro cada vez más pequeños, al final nos quedaremos con un único átomo de oro, que será muy pequeño, pero que seguirá siendo identificable como oro en vez de hierro, cobre, lycra o cualquier otra cosa que se nos ocurra.

Contra lo que creían los anticuados griegos, los átomos, en realidad, no son indivisibles, sino que están, a su vez, formados de otras piezas más pequeñas. (Eso sí, si seguimos pegando tijeretazos, ya no se conservan las propiedades químicas: si partimos un átomo de oro en estas piezas más pequeñas, deja de ser oro para convertirse en otra cosa). Esto también se estudiaba en el cole, y seguro que recordaréis que un átomo está formado a base de tres tipos de “bolitas”: electrones, protones y neutrones. Dos de ellos, protones y neutrones, son bolitas “grandes”; todas estas bolitas “grandes” están pegadas en una especie de mora que queda en el centro del átomo, el núcleo. El tercer tipo de bolita, los electrones, son mucho más “pequeñas” y ligeras. Se puede comparar un átomo con un Sistema Solar en miniatura; el núcleo sería el Sol, que está inmóvil en el centro y pesa un mogollón, mientras que los electrones serían los planetas, que están en la periferia, pesan muy poquito y se mueven alegremente. (La realidad es mucho más compleja que todo esto, pero de momento es más que suficiente).

En el contexto de la Física de Partículas, una “partícula” es cada una de estas bolitas, que pueden ser una parte del átomo o estar sueltas por ahí. Así, electrones, neutrones y protones son “partículas”, igual que lo son un montón de otras, como por ejemplo los fotones de luz que salen de una bombilla.

¿Vale, y lo de “interactúan a través de la interacción nuclear fuerte”?

Otra de las cosas que uno aprende en el cole, y ya voy terminando con el retrospecter, es que los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. Todos hemos jugado alguna vez a tratar de enfrentar los polos positivos de dos imanes, y hemos comprobado que los imanes son bastante cabezones y tienden a alejarse (o a darse media vuelta, para que el polo positivo de uno mire al polo negativo del otro). Pues bien, como recordaréis, esto mismo ocurre con la carga eléctrica, que es una propiedad básica de las bolitas que construyen los átomos. Los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa; así, si ponemos dos protones uno cerca de otro, o dos electrones uno cerca de otro, tenderán a alejarse lo más posible. (Los neutrones, los pobres, no tienen carga, de modo que estas cosas no van con ellos).

Los lectores astutos habrán notado que hay un problema, y es que en el núcleo de cualquier átomo hay un montón de protones, todos con carga positiva, situados en un espacio muy pequeño. Es fácil calcular con qué fuerza deberían estar empujándose unos a otros para tratar de alejarse, y sólo os diré que es tremendamente grande. Si esto fuera toda la historia, los núcleos se desintegrarían y los átomos no existirían, lo que tendría unas consecuencias prácticas un tanto molestas. Como no es el caso, es obvio que hay “algo” que tiende a pegar esas bolitas unas a otras en el núcleo, con el suficiente entusiasmo como para vencer la tendencia de éstas a separarse debido a su carga eléctrica.

Para saber qué es ese “algo”, hay que empezar diciendo que en la naturaleza hay cuatro “fuerzas fundamentales”. Es decir, que dos cuerpos cualesquiera pueden influirse, el uno en el otro, de cuatro (y sólo cuatro) formas distintas; por complicado que nos parezca, cualquier proceso que ocurra en el mundo natural puede explicarse en virtud de una de esas cuatro fuerzas, o de una combinación de ellas.

Dos de las cuatro fuerzas fundamentales las conocemos muy bien, y podemos verlas actuando día a día: una es la gravedad, que evita que estemos flotando por el espacio, y otra es el electromagnetismo, que nos permite jugar con los imanes, así como minucias tales como tener luz (y no sólo de la de enchufar cosas, sino de la que viene de la ventana de la vecina). Ambas fuerzas tienen en común que pueden actuar a través de distancias enormes: el Sol es un buen ejemplo, ya que nos llega su luz (de naturaleza electromagnética) y su gravedad hace que la Tierra orbite alrededor de él, aunque estemos a casi 150 millones de kilómetros del mismo.

Las otras dos fuerzas fundamentales son intuitivamente más misteriosas. Una de ellas, la interacción nuclear fuerte, es precisamente el “algo” que estábamos buscando; básicamente, cuando hay “bolitas gordas” (protones y neutrones) muy cerca unas de otras, la fuerza nuclear fuerte tiende a que se peguen entre ellas.

A diferencia de la gravedad y la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte es una fuerza de corto alcance, lo que quiere decir que no puede actuar sobre largas distancias. (Lo mismo ocurre con la otra interacción fundamental, la fuerza nuclear débil). De hecho, sólo puede notarse si trabajamos con distancias más o menos del orden del tamaño del núcleo atómico (que es pequeñísimo en comparación con el tamaño del átomo completo). Así, para que dos de nuestras “bolitas gordas” se peguen la una a la otra mediante la fuerza nuclear fuerte, tienen que estar cerca una de otra ya de entrada. Es algo parecido a lo que pasa si tenemos dos gotas de agua sobre un vidrio; si están lejos la una de la otra, no pasa absolutamente nada, pero si las acercamos lo suficiente, acaban uniéndose en una gota más grande. Esta “adhesión” ocurre incluso si tenemos dos protones uno junto a otro, a pesar de que, debido a que tienen cargas eléctricas del mismo signo, deberían repelerse. Precisamente por eso es por lo que esta fuerza se llama “fuerte”, porque es lo suficientemente intensa para vencer la repulsión electromagnética. En un núcleo atómico, la fuerza nuclear fuerte es como cien veces más importante que la electromagnética, lo que mantiene al núcleo unido y estable.

Entonces, un hadrón es…

Un hadrón es, simplificando mucho, una bolita gorda tal que puede “pegarse” a otras bolitas gordas si está lo suficientemente cerca de ellas. (Por motivos de discriminación positiva, la fuerza nuclear fuerte sólo actúa sobre las partículas “gordas”, y por lo tanto no afecta a los electrones ni a otros de su cuerda). Como seguro que habéis deducido, protones y neutrones son hadrones. Son, también, los más comunes en la naturaleza con mucha diferencia, aunque existen muchísimos más, algunos de ellos realmente exóticos.

Esto no tiene nada que ver con lo que dijiste antes.
En realidad es lo mismo. Si recuperáis la definición de hadrón que os di al principio (que era correcta, aunque suene a chino mandarín), veréis que esencialmente es lo que os he dicho: una partícula (bolita) que “ve” la interacción nuclear fuerte.

¿Y qué quiere decir lo de “estado ligado de varios quarks”?

En la discusión anterior, hemos diferenciado entre “bolitas grandes” y “pequeñas”. Bien, digamos que, en última instancia, en la naturaleza todas y cada una de las “bolitas” son “pequeñas”. Las “bolitas pequeñas” de la naturaleza se llaman partículas elementales y sí que son de verdad indivisibles, al menos por lo que se sabe hasta ahora. Los electrones, como son “bolitas pequeñas”, son ya partículas elementales. Pero los protones y los neutrones (y, en general, todos los hadrones) son “bolitas gordas”, y por lo tanto no son partículas elementales, sino que es posible meterles el cuchillo otro paso más.

Las “bolitas pequeñas” en las que se dividen los hadrones se llaman quarks. Por motivos bastante complicados, estas nuevas “bolitas pequeñas” tienen una diferencia clave con los electrones: los quarks nunca van sólos por el mundo, sino que siempre aparecen agrupados de dos en dos o de tres en tres, dando lugar a las “bolitas gordas”. Eso es lo que quiere decir un “estado ligado de varios quarks”: una “bolita gorda” construida a base de pegar otras cuantas “bolitas pequeñas” de tipo “quark”.

Pero, entonces, ¿cuántos tipos de hadrones hay?

Pues hay como muchos, muchos. De entrada, hay seis tipos de quark en la naturaleza. Cada uno de esos seis tiene una especie de “gemelo malvado” (antiquark), lo que lleva el número total a doce. Y, si encima contamos con que un quark puede estar “orientado” de dos formas distintas (igual que una moneda tiene cara y cruz, un quark también puede salir ”cara” o “cruz”, por así decirlo), tenemos un montón de tipos de quark posibles. Aunque no pueden unirse cualquiera con cualquiera, eso da lugar a una tremenda variedad de combinaciones; cada combinación válida (“estado ligado de varios quarks”) da lugar a un tipo distinto de hadrón (“bolita gorda” formada por quarks).

Eso sí, por motivos diversos, casi todas esas combinaciones son inestables, y en un abrir y cerrar de ojos se desintegran (dejando, entre otras cosas, otras “bolitas gordas” en su lugar). Las únicas combinaciones estables a largo plazo son el protón y el neutrón. Protón y neutrón se forman a partir de dos tipos distintos de quark, llamados up (arriba) y down (abajo), tomados de acuerdo a ciertas normas; más concretamente, tienen que ser tres quarks, incluyendo al menos uno de cada tipo, y entre ellos no deben repetirse tres “caras” o tres “cruces”. Un protón tiene dos quarks up y uno down, mientras que un neutrón tiene un quark up y dos down.

Por aquello de tener un orden, los hadrones se dividen en dos tipos según cuántos quarks los formen. Si sólo cuentan con dos quarks, se llaman mesones; si cuentan con tres, se llaman bariones. Como los hadrones más comunes (protones y neutrones) están formados por tres quarks, pertenecen al grupo de los bariones.

Es interesante apuntar que la interacción nuclear fuerte, en realidad, no actúa directamente sobre las “bolitas gordas” (hadrones), sino sobre los quarks que las componen; el hecho de que los hadrones tiendan a “pegarse” unos a otros es un efecto colateral del hecho de que estén formados por dos o tres quarks.

¿Cuántas partículas elementales hay?

Aunque ordinariamente estamos acostumbrados a “ver” sólo tres tipos de partícula (protón, neutrón y electrón), la cantidad de partículas que hay en la naturaleza es tremenda. De hecho, se usa el término “zoo de partículas” para agrupar a los centenares de partículas que se conocen. Sin embargo, el número de partículas elementales que existe es muy pequeño en comparación.

Hay, básicamente, dos tipos de partícula elemental. Uno de ellos son los quarks, de los que ya os he hablado anteriormente. Si recordáis, las partículas que estamos acostumbrados a ver en el núcleo del átomo, protones y neutrones, están formados exclusivamente a partir de dos tipos de quark, el up (u) y el down (d). El otro tipo de partícula elemental son los llamados leptones. El electrón, que suele indicarse como e¯, es un tipo de leptón, igual que lo es otra partícula llamada neutrino (que se indica con la letra griega “nu”, ν) y de la que os hablaré un poco luego.

Así, tenemos cuatro tipos de partícula elemental que forman la aplastante mayoría del mundo natural: dos quarks, el up y el down, y dos leptones, el electrón y el neutrino. Junto a estos cuatro tipos, existen otros cuatro que son las llamadas antipartículas de éstos: son iguales prácticamente en todo, salvo en el hecho de que la carga de una partícula y de una antipartícula es opuesta. Por ejemplo, un antielectrón, también llamado positrón, es igual que un electrón, pero con carga positiva en vez de negativa.

Un inciso para los que realmente estéis prestando mucha atención: aunque la mayor diferencia entre una partícula y su antipartícula correspondiente es el signo de la carga eléctrica, existen otras propiedades más sutiles que permiten distinguir, por ejemplo, entre un neutrino y su antineutrino correspondiente, aunque ambos tengan carga eléctrica nula.

Pero antes dijiste que había seis tipos de quark, no dos.

Cierto. Los quarks up y down, así como electrón y neutrino, son los miembros de lo que se llama “primera generación” de partículas elementales. En Física de Partículas, una “generación” es una colección de estas cuatro partículas (junto a sus correspondientes antipartículas).

Existen otras dos “generaciones” en la naturaleza, la segunda y la tercera. Cada una de ellas tiene también cuatro partículas, que son idénticas a las de la primera generación con la única diferencia de que son mucho más pesadas. Por ejemplo, la “segunda generación” la forman el quark “charm” (c), que es como un quark up pero que pesa como cuarenta veces más; el quark “strange” (s), igual al quark down pero unas quince veces más pesado; el muón (μ), que es un “electrón gordo” y pesa como doscientas veces lo que un electrón común; y otro tipo de neutrino, que se llama “neutrino muónico” para distinguirlo del de la primera generación (“neutrino electrónico”). Las partículas respectivas de la tercera generación, que son a su vez más pesadas que las de la segunda, son los quarks “top” (t) y “bottom” (b), la partícula tau (τ) y el neutrino tauónico.

Así, ordenando cada grupo por “peso”, tenemos:

  • Tres quarks de tipo “up”: up, strange y top
  • Tres quarks de tipo “down”: down, charm y bottom
  • Tres leptones de tipo “electrón”: electrón, muón y tau
  • Y tres leptones de tipo “neutrino”: electrónico, muónico y tauónico

En total, doce tipos de partícula elemental, a los que habría que sumar las doce antipartículas correspondientes. De ellas, los seis leptones van por libre y se pueden observar directamente, mientras que los quarks siempre están unidos entre ellos para formar hadrones. Si hay muchos tipos de partícula es, sobre todo, porque hay muchas combinaciones posibles formadas a partir de unir estos quarks, que dan lugar cada una a un tipo distinto de hadrón.

Dices que en la naturaleza hay un porrón de neutrinos, pero yo no he visto uno nunca.

Lo cierto es que los neutrinos son increíblemente comunes. De hecho, si dibujamos en el suelo un cuadradito de un centímetro de lado al mediodía, por él pasan aproximadamente diez mil millones de neutrinos cada segundo, procedentes del Sol. Lo que pasa es que no notamos su presencia porque no les va mucho lo de relacionarse con los demás; no tienen carga electromagnética (es decir, no funcionan como cargas eléctricas o como imanes), y aunque tienen masa (peso), es tan inimaginablemente pequeña que una de las discusiones favoritas de los físicos de partículas, durante mucho tiempo, era si los neutrinos eran partículas “sin peso” o no. De hecho, ha costado un montón de décadas de gigantescos experimentos ser capaz de obtener una confirmación experimental de que, efectivamente, la masa del neutrino existe. Para redondear, al no estar formado por quarks, al neutrino tampoco le afecta la interacción nuclear fuerte.

Así, aparte de por su pequeñísima masa, el único mecanismo por el que un neutrino molesta a lo que tiene alrededor es con la interacción nuclear débil, de la que, de momento, sólo necesitáis saber dos cosas: que interviene en ciertos procesos en los que las partículas “cambian de traje” (por ejemplo, puede convertir un protón en un neutrón), y es, como su propio nombre indica, muy débil. Como consecuencia de todo esto, los neutrinos van por el espacio atravesando todo lo que se les pone por delante, y pueden recorrer billones de kilómetros sin sufrir ningún tipo de interacción con lo que les rodea.

¿Y eso es todo?
Bueno, en lo que toca a la organización de la materia, y por lo que se sabe hasta ahora, sí, es todo. Las partículas subatómicas son leptones (electrones, neutrinos o “amigos” de éstos), que son partículas elementales, o hadrones, que no son partículas elementales pero que están formados por unos cuantos quarks (que sí que lo son).

Pero…

Oh, no.

…la Física de Partículas no sólo se ocupa de las piezas de la materia, sino también de la forma en la que éstas interactúan. Es decir, que no sólo describe las “piezas” que forman átomos y otras hierbas, sino que, además, explica, por ejemplo, por qué dos partículas cargadas positivamente se repelen y una partícula cargada positivamente atrae a otra cargada negativamente. O porqué la fuerza nuclear fuerte funciona como lo hace, “pegando” a protones y neutrones en el núcleo.

Pero eso también lo he estudiado yo en el colegio. No le veo la gracia.

Si pensamos, en particular, en la fuerza electromagnética, sus efectos se conocen bastante bien. De hecho, la ecuación que nos dice con qué fuerza se atraen o se repelen dos partículas cargadas es sencilla y está muy bien establecida: la fuerza depende de la cantidad de carga que tenga cada partícula y se hace más importante cuanto más cerca estén una de otra. Ecuaciones parecidas pueden escribirse para la gravedad (casi idéntica), o las interacciones nucleares (mucho más complejas).

El problema es que escribir una ecuación, por muy bien que funcione, no equivale a explicar el fenómeno. (Este es un punto clave que diferencia a los físicos de los ingenieros :P). Siguiendo con lo anterior, si nos dan los datos de un problema (Tenemos dos partículas, con tal y tal carga, situadas a tal distancia una de otra), la ecuación nos permite calcular de modo muy fiable con qué fuerza se atraerán o repelerán, pero no nos explica por qué ocurre eso y no otra cosa. Sencillamente, nos dice lo que ocurrirá.

Es posible suponer que esa ecuación, simplemente, es una ley fundamental de la naturaleza, también conocido como el argumento del burócrata (esto es así porque es así y punto). Pero, incluso así, existe un problema que ha fastidiado a los físicos desde los tiempos de Newton, el de la acción a distancia. Brevemente, se trata de que es un tanto raro suponer que un ente pueda influir en otro distinto que se encuentra lejos del mismo sin más. Por ejemplo, si yo quiero mover una silla de sitio, tengo que acercarme a ella y empujarla; en otras palabras, tengo que estar pegado a la silla para influir en ella. Si yo me pongo a empujar el aire en mi cuarto, las sillas del salón no se mueven por mucho entusiasmo que yo le eche.

Hasta ahí bien, pero la ecuación del electromagnetismo parece sugerir que dos cargas pueden atraerse o repelerse sin que nada más intervenga, aunque no estén una junto a la otra. Lo mismo ocurre con la ley de la gravitación universal. Esto plantea una serie de problemas matemáticos y filosóficos en los que no voy a entrar mucho; baste decir que es difícil de justificar esta influencia entre cuerpos separados, esta “acción a distancia”.

En la física clásica, la forma de resolver este problema es introduciendo el concepto de campo. Un “campo” es algo así como un montón de señales que un cuerpo desperdiga por el espacio para avisar de su presencia. Para el caso de las dos partículas cargadas, la primera partícula que llegue, llamémosla Teodosia, crea lo que se llama un campo eléctrico a su alrededor, de modo que en todos los puntos cercanos a ella hay una “flechita”, visible para otras partículas, que dice “Oye, que para allá, a tal distancia, hay una partícula cargada de tal y tal forma”. Cuando la segunda partícula, pongamos que se llama Hermenegilda, aparece por allí, simplemente mira a su alrededor, “lee” cuál es el campo que Teodosia ha creado en el punto en el que se encuentra, y se acerca o aleja de Teodosia en consecuencia.

El punto clave es que Hermenegilda no necesita saber nada más de Teodosia, sino que le basta con ver el campo (las “señales”) que Teodosia ha dejado para saber qué hacer. Si estoy en un cruce de caminos y hay un cartel que pone “Córdoba, a la derecha, 100 kms”, sé lo que tengo que hacer para ir a Córdoba gracias al cartel que hay donde yo estoy (el “campo” creado por Córdoba), aunque no sea capaz de ver Córdoba desde mi coche. De igual modo, lo que actúa sobre Hermenegilda ya no es la mera presencia de Teodosia (que se encuentra lejos), sino el campo que Teodosia crea (que existe en el mismo punto en el que Hermenegilda está en cada momento). De esta forma, la introducción del concepto de campo evita el problema de la acción a distancia: lo que actúa sobre una partícula no son directamente las otras partículas, sino el campo creado por las mismas.

Y con todo este rollo, ¿a dónde quieres llegar?

Pues a que este esquema tan bonito no puede aplicarse en Física de Partículas, ya que, de nuevo por complicados motivos, el concepto clásico de “campo” no es compatible con la teoría cuando nos ocupamos de cosas tan pequeñas como las partículas subatómicas. Así, para que la Física de Partículas sea una teoría completa y coherente con lo que observamos en la naturaleza, es necesario encontrar otra forma de describir las fuerzas tal que, sin tener que recurrir a introducir un campo “clásico”, se evite el problema de la acción a distancia.

Y eso se hace…

Efectivamente, con más partículas. 😛

En Física de Partículas, la interacción entre dos partículas se describe en función de otras partículas, que hacen de “mensajeras“. Si volvemos a nuestras amigas Teodosia y Hermenegilda, lo que ocurre ahora es que Teodosia le tira a Hermenegilda una pelota de tenis que dice “Estoy aquí, en tal sitio”. Hermenegilda ve la pelota de tenis, da un paso hacia Teodosia (o alejándose de Teodosia, según el caso), escribe “Yo también” en la pelota de tenis y se la devuelve a Hermenegilda. La pelota de tenis continúa pasando de la una a la otra, haciendo de “mensajera” que les indica con qué fuerza tienen que atraerse o repelerse. Como la partícula mensajera (la pelota de tenis) va físicamente de una a otra, se evita el problema de la acción a distancia.

Cada tipo de fuerza lleva asociado uno o varios tipos de “pelota de tenis”; el nombre técnico de estas pelotas de tenis es bosón de gauge. Por ejemplo, la “pelota de tenis” asociada a la fuerza electromagnética es el fotón, cuyas propiedades se conocen bastante bien. Del mismo modo, existen bosones de gauge para la fuerza nuclear fuerte, llamados gluones, y para la fuerza nuclear débil, llamados W y Z. Cada una de estas “pelotas de tenis” tiene asociadas unas propiedades que explican las características de la interacción; por ejemplo, por qué unas pueden actuar a grandes distancias y otras no, o por qué la magnitud de la fuerza es tan diferente.

A un nivel básico, todo el edificio de la Física de Partículas se construye con las 12 partículas elementales (“bolitas pequeñas”) que hemos visto (6 quarks y 6 leptones), mas los bosones de gauge (“pelotas de tenis”): fotón, gluón, W y Z. (Son en total 12 bosones de gauge, porque hay 8 tipos distintos de gluón y 2 tipos distintos de bosón W). Esta colección de partículas, relativamente pequeña, conforma lo que se llama el Modelo Estándar de Física de Partículas, que es capaz de explicar con mucha precisión los acontecimientos que se observan en el mundo real.

Generaciones de la materia (Wikipedia)

Con esto sí que está todo más o menos completo, aunque hay algunas cosas que se salen un poco del Modelo Estándar y que representan campos de investigación muy activos hoy en día. Sobre todo hay dos enigmas pendientes. Uno es que, en el Modelo Estándar, se supone que los neutrinos no tienen nada de masa, mientras que, como hemos dicho más arriba, se ha demostrado que sí que tienen, aunque sea realmente pequeña. La presencia de esta masa, o, más bien, las consecuencias de ello, requieren para ser explicadas de teorías que amplíen el Modelo Estándar.

El segundo enigma es el caso de la gravedad, ya que no existe, a día de hoy, una descripción de la gravedad en Física de Partículas que sea completamente satisfactoria. En principio, bastaría con inventarse otra “pelota de tenis” (bosón de gauge) asociada a la gravedad, pero cuando esto se hace, aparecen obstáculos de tipo teórico insalvables dentro del Modelo Estándar. Por este motivo, se dice que el Modelo Estándar no es una teoría del todo, ya que hay una interacción fundamental de la naturaleza, la gravedad, que no puede explicarse con él.

Esto es especialmente interesante porque una de las líneas de trabajo más queridas por los físicos teóricos es preguntarse qué diferencia a una fuerza de otra. El objetivo sería demostrar que las diversas fuerzas fundamentales que se observan en la naturaleza son, a un nivel fundamental, manifestaciones de un mismo fenómeno, de una única “superfuerza” capaz de comportarse de varias formas según sean las condiciones en las que está. De momento, existe una teoría que, con gran éxito, permite unificar en una sola las fuerzas electromagnética y nuclear débil. Y también existe una teoría prometedora, aunque algo menos probada, que une en una sola las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. Si se consiguiera incluir en este aparataje a la gravedad, tendríamos que la naturaleza obedece únicamente a una sola fuerza, que simplemente nos parece que actúa de cuatro formas distintas por las condiciones en las que estamos haciendo nuestras observaciones. Pero queda todavía muchísimo por andar para llegar hasta ese punto.


Ale, ya está. Ya podéis salir a jugar al patio. :)