En busca de los ladrillos de la materia

Actualidad y curiosidades: EN BUSCA DE LOS LADRILLOS DE LA MATERIA

Recopilación: Dpto FQ IES El Grao (Marzo, 2015)

Las 4 fuerzas fundamentales

Hoy en día los físicos modelan el mundo en base a cuatro fuerzas. En teoría cualquier interacción de materia en el universo se puede explicar en base a estas cuatro fuerzas. El problema es que no existe una teoría que explique el funcionamiento de todas las fuerzas, ese es el mayor reto de la física actual. Se cree que en el momento en que ocurrió el Big Bang, solo existía una única fuerza. Y después se dividió en 4: la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.

Recientemente se han propuesto nuevos nombres para las cuatro fuerzas fundamentales:

Interacción o Fuerza Gravitacional: Interacción o Fuerza Espacio-Temporal

Interacción o Fuerza Electromagnética: Interacción o Fuerza de Faraday

Interacción o Fuerza Débil: Interacción o Fuerza Transmutadora

Interacción o Fuerza Fuerte: Interacción o Fuerza Gluónica

La gravedad

No sé si sabéis que desde hace unos años se celebra “Día de la Gravedad” que recibe su fecha de la misma forma que lo hacen otros “días científicos” como el de pi (14 de Marzo) o el de Tau (el 28 de Junio). En este caso se celebra el 8 de Septiembre, puesto que 9/8, coincide con g, el valor aproximado de la aceleración gravitatoria en la superficie de la Tierra (9.8 m/s2).

La gravedad, desde Newton, ya no tiene que ver con los cuerpos “graves” de la física aristotélica (en contraposición con el aire o el humo) o con caer y ser pesado.  Es claro que con la teoría de la Gravitación Universal del mismo Newton, el término “gravedad” adopto una acepción muchísimo más general.  Por “gravitar”, ahora se entiende, mantenerse cerca a otro cuerpo por efecto de la tendencia a estar juntas de las cosas que tienen masa o energía (o sea todas en el Universo).  Un nombre antiguo que ahora tiene una acepción moderna.  El problema es que la cosmología contemporánea parecería estar enseñándonos que la “gravedad” tiene otros aspectos que no conocíamos y que hacen del concepto de “gravitar” una idea relativamente arcaica.

Según las teorías actuales, la fuerza de la gravedad se genera gracias a la interacción de los gravitones. Que son unas partículas que aún no han sido detectadas, pero se cree que son las responsables de transmitir la fuerza de la gravedad.

Quarks, sabores y colores

 

Se conocen como quarks las partículas elementales de las que están hechos los protones y los neutrones, y por tanto los pilares básicos sobre los que está constituida la materia. Existen 6 tipos de quarks, cada uno con unas propiedades características. Lo que más llama la atención de las propiedades de los quarks es que su carga eléctrica es fraccionaria, es decir, es una porción de la unidad de carga e del protón (-e para el electrón).

Los quarks no existen en la naturaleza en estado aislado, sino que siempre se encuentran en parejas o tríos formando otras partículas. Pero, ¿qué pasaría si comenzamos a aplicar energía sobre una pareja de quarks? ¿Lograremos separarlos si tenemos la energía suficiente? La respuesta es no. Por mucha energía que se aplique jamás lograremos mantenerlos aislados más allá de un tiempo minúsculo. Esto es porque llega un momento en que la energía que les hemos suministrado es suficiente para que la conviertan directamente en otros dos quarks que acompañen a los que teníamos inicialmente. Es decir, hemos convertido una pareja de quarks en dos.

Cada quark da un sabor especial a la partícula de la que forma parte. La lista siguiente son los 6 quarks con su respectiva carga eléctrica y su sabor:

  • Quark up(arriba). Carga eléctrica +2/3. Sabor arriba.
  • Quark down(abajo). Carga eléctrica -1/3. Sabor abajo.
  • Quark charm(encanto). Carga eléctrica +2/3. Sabor encanto.
  • Quark strange(extraño). Carga eléctrica -1/3. Sabor extrañeza.
  • Quark top(cima). Carga eléctrica +2/3. Sabor verdad.
  • Quark bottom(fondo). Carga eléctrica -1/3. Sabor belleza.

Los dos primeros son los que unidos dan lugar al protón (unión de 2 up y un down, carga eléctrica total 1) y al neutrón (unión de un up y 2 down, carga eléctrica total 0). El último quark en ser descubierto fue el top, que recibe su nombre debido a que es el más masivo de todos. Curiosamente es casi tan masivo como un átomo de oro, que está constituido por 79 protones y 118 neutrones.

Esquema de un neutrón con sus sabores y sus cargas de color:

A pesar de que las cargas eléctricas de mismo signo se repelen dentro del protón conviven dos quark up de carga +2/3. Podría parecer que este hecho antes o después fuera a provocar la destrucción del protón, pero no es el caso pues se estima que su vida media es del orden de 1030 años. Si este valor no os dice nada, quizá sabiendo que el universo tiene aún poco más de 1010 años ponéis el número en perspectiva. ¿Cómo es posible, por tanto, que se puedan juntar sin problemas estos dos quarks dentro de un protón? La respuesta está en un tipo de interacción nuclear conocida como interacción nuclear fuerte. De las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza es la más intensa de todas, de ahí su nombre. Poniendo números a la intensidad de esta interacción podemos estimar que es del orden de 100 MeV. ¿Esto qué quiere decir? Pues que si queremos separar dos quarks tenemos que golpear a la partícula que los contiene con al menos esa energía. Por este motivo se han descubierto quarks tan recientemente en los aceleradores de partículas, porque la energía necesaria para romper los protones o neutrones es muy elevada.

La interacción fuerte también es la responsable de unir los protones dentro del átomo, y tiene un alcance muy limitado. No funciona a escalas mayores que el propio núcleo atómico, es decir del orden de 10-15 metros, unidad que se conoce como femtómetro o fermi. La partícula pegamento que une los protones o los quarks recibe el nombre de gluón y también tiene carga, aunque en este caso no es eléctrica sino que se llama carga de color. Este color puede ser rojo, verde o azul. Y como casi todo en la naturaleza tiene su antagonista, en este caso tenemos los anticolores: antirojo, antiverde y antiazul. Para aclarar posibles confusiones, no debéis imaginaros la carga de color como si los quarks tuvieran realmente un color que podamos ver. Esto sería imposible. Debemos verla simplemente como una propiedad física más de las partículas, como puede ser su carga eléctrica o su masa.

Por otra parte, la fuerza nuclear débil se encarga de transformar el sabor de los quarks haciendo que éstos tiendan a decaer en quarks más ligeros. Las partículas portadoras de esta fuerza son los bosones W y Z, y si la comparamos en intensidad con la nuclear fuerte nos damos cuenta de que los nombres que les hemos dado tienen su razón de ser: la fuerza débil es del orden de un millón de veces menos intensa que la nuclear fuerte.

No podemos olvidar que en el átomo, además del núcleo existe la capa electrónica. Como todos sabéis, los electrones son unas partículas que poseen una carga eléctrica negativa. “Orbitan” alrededor del núcleo atómico y son los principales protagonistas de la mayoría de las propiedades físicas y químicas a la materia. Hasta donde sabemos son puntuales, es decir no están compuestos por ninguna otra partícula. Al no estar formado por quarks, el electrón debe catalogarse en un grupo diferente de partículas que los protones o los neutrones. Es el grupo de los leptones.

A pesar de que el átomo nos puede parecer pequeño, lo cierto es que es infinitamente más pequeño de lo que pensamos. Los electrones se encuentran muy separados del núcleo atómico, causando que prácticamente la totalidad del átomo sea espacio vacío. En el caso del átomo de hidrógeno, que solo está formado por un protón y un electrón, la distancia que separa el protón y el electrón es equivalente a considerar como núcleo un balón de fútbol y como electrón una minúscula mota de polvo orbitando a más de 7 kilómetros de distancia. Visto de otra manera: si el Sol fuera un protón, el electrón se encontraría más allá de la órbita de Plutón.

Hasta ahora hemos hablado de algunas partículas: los quarks, el electrón, el gluón, los bosones W y Z, y el fotón. A continuación vamos a hacer una distinción más y a separar las partículas en dos grandes grupos. El primero es el de las partículas que dan lugar a la materia, y el segundo será el de las partículas propagadoras de interacciones (fuerzas).

Los quarks y los electrones se encuentran en el primer grupo, y por tanto son fermiones. En este grupo deben añadirse todas las partículas formadas por los quarks (como protones y neutrones) y varios leptones más compañeros del electrón, como el muon, el tau y los neutrinos.

La historia del muon es bastante larga, pues desde que se descubrió en los rayos cósmicos en 1936 ha ido cambiando varias veces de nombre hasta que finalmente se adoptó el actual al verse que no estaba compuesto de quarks, sino que era una partícula elemental como el electrón. Su vida media es de tan solo 2 millonésimas de segundo por lo que es necesario que viaje a grandes velocidades para que la dilatación temporal predicha por la Relatividad Especial nos permita estudiarlo. Comentar como curiosidad que se han logrado crear átomos en los que el muon sustituye al electrón (ambos tienen carga -1) y que estos son estables hasta que el muon se desintegra. Esto también puede hacerlo su antipartícula, el antimuón, que sustituyendo al protón puede crear un átomo similar al hidrógeno que recibe el nombre de muonio (un antimuón y un electrón).

En cuanto a los neutrinos mucho se ha escrito últimamente sobre su aparente violación del límite de la velocidad de la luz. Desde luego todavía es muy pronto para sacar cualquier tipo de conclusión al respecto, pues hacen falta más experimentos que lo confirmen. Sin embargo, esta no es la única violación que podrían provocar los neutrinos. Si se confirma que su masa no es nula (todo parece indicar que es ínfima, pero no idénticamente cero) estaría violando la conservación de un número cuántico llamado número leptónico. Menudo dolor de cabeza para los físicos es nuestro amigo el neutrino…

Nos falta hablar de algunos términos como hadrones o bosones que también salen a menudo en los medios de comunicación. Los hadrones se definen como el grupo de partículas que sienten la interacción fuerte, y por tanto están formadas por quarks. Dentro de los hadrones hay dos categorías, los mesones y los bariones. Se diferencian en que los primeros son las partículas formadas por dos quarks (un quark y un antiquark) y los segundos son las formadas por tres quarks, como el protón o el neutrón.

Por otro lado, los bosones son las partículas que poseen espín entero, a diferencia de los fermiones que lo tienen semientero. Los ejemplos más representativos son las partículas transmisoras o propagadoras de las interacciones, tales como el fotón, el gluón, y los bosones W y Z. Estos bosones se corresponden con los propagadores de tres de las cuatro fuerzas fundamentales, así que ¿de cuál nos hemos olvidado? Pues de la gravedad. Esta fuerza es tan pequeña a escalas atómicas que es prácticamente despreciable. Sin embargo, su partícula transmisora también es un bosón que recibe el nombre de gravitón. Hasta el momento no ha sido detectado experimentalmente, es decir es una partícula hipotética. También era hipotético el famoso bosón de Higgs hasta que el LHC lo encontró. Ya hemos puesto bosón a cada una de las fuerzas fundamentales, de modo que el bosón de Higgs no puede transmitir otra fuerza. Su misión es mucho más fundamental: dotar de masa a las partículas elementales.

Se podrían contar muchas más cosas, pero creo que con esto es más que suficiente para que os hagáis una idea básica (o no tan básica) del modelo estándar de la física de partículas. Si queréis saber más os recomiendo encarecidamente que visitéis la web The Particle Adventure. Navegando por sus secciones descubriréis muchas más cosas sobre el modelo estándar, la física de partículas o los grandes aceleradores.

Resumen y datos curiosos

Existen cuatro fuerzas elementales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria.

Las partículas propagadoras de estas fuerzas son: el gluón, los bosones W y Z, el fotón, y el gravitón.

Si consideramos la intensidad de la fuerza electromagnética con un valor de una unidad, la nuclear valdría 100 unidades, la nuclear débil 0,0001 y la gravitatoria sería completamente despreciable.

Si quisiéramos que en el átomo de hidrógeno la interacción gravitatoria fuera igual de intensa que la electromagnética el protón debería pesar casi 4 millones de toneladas.

Existen 12 tipos de quarks (6 quarks y 6 antiquarks) que pueden poseer 6 sabores y 6 colores (3 colores y 3 anticolores) distintos.

El quark top es tan masivo como un átomo de wolframio, y solo ligeramente menor que uno de oro.

La vida media de un protón es muchísimo mayor que la edad del universo. Menos mal, porque no quisiera desintegrarme espontáneamente.

Prácticamente el 100% del átomo es espacio vacío.

Si el Sol fuera un protón, el electrón se encontraría más allá de la órbita de Plutón.

El muon puede sustituir al electrón para crear un núcleo estable durante 2 millonésimas de segundo. De igual forma, el antimuón puede sustituir al protón para crear el muonio.

Los neutrinos son capaces de atravesar la materia prácticamente sin interaccionar con ella.

El bosón de Higgs dota de masa a las partículas elementales del modelo estándar.

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