|
Historia
"Nada hay más que átomos y vació". Así planteaba Demócrito su forma de ver el mundo. Lo que no era más que un planteamiento filosófico se ha visto confirmado por el desarrollo de la ciencia en estos dos últimos siglos.
La idea de los átomos (del griego indivisible) fue olvidada hasta que en 1803 Dalton descubrió que ciertas leyes básicas de la química se podían explicar si se suponía que cada elemento químico estaba compuesto por partículas muy pequeñas, idénticas entre sí, indestructibles y que en todas las reacciones químicas conservaban su masa y sus propiedades. Además, también decía que cuerpos compuestos como el agua, estaban formados por partículas muy pequeñas, llamadas moléculas, que a su vez resultaban de la asociación de un cierto número de átomos. Sin embargo, muchos científicos no vieron en esta propuesta nada más que una forma de explicar las leyes químicas.
A medida que avanzaba el siglo se iban haciendo descubrimientos para los que no había explicación posible. Por un lado, con el estudio de la conductividad de los gases a bajas presiones se descubrieron unos rayos luminosos - llamados rayos catódicos - cuya interpretación mantenía dividida a la comunidad científica. Por otro, se sabía que al hacer pasar la luz emitida en las descargas por un prisma se observaba, no el clásico arco iris, sino unas rayas luminosas situadas en ciertas posiciones que eran características del tipo de gas que estaba encerrado en el tubo. Por su parte, Fraunhofer había descubierto líneas, esta vez oscuras, en el espectro de la luz solar. También la radiación del cuerpo negro escapaba a cualquier intento de explicación. A medida que se acercaba el fin de siglo, el descubrimiento de la radiactividad vino a complicar aún más las cosas. Pero la sensación generalizada a finales del XIX era que la física estaba llegando a su final y sólo quedaban esas "coletillas insignificantes" por explicar. Y fueron estas "coletillas insignificantes" las que revolucionaron la forma de ver el mundo a nuestro alrededor.
El 30 de abril de 1897, en el clásico encuentro de los viernes de la Royal Institution, J.J. Thomson, tras ocho años de investigaciones daba a conocer que había logrado desentrañar uno de estos misterios; el de los rayos catódicos. Su explicación incluía una nueva partícula, el electrón. El átomo de Demócrito y Dalton había dejado de ser indivisible.
Thomson propuso un modelo, conocido popularmente como el pudín de pasas, donde los electrones se encontraban incrustados en una esfera cargada positivamente. Este modelo fue desechado cuando Rutherford bombardeó láminas de oro con radiación alfa. El modelo de Thomson tuvo que dejar paso al de un núcleo muy pequeño con carga positiva y los electrones rondando a su alrededor, como un sistema solar en miniatura. Hoy sabemos que este modelo tampoco es del todo correcto porque la posición del electrón se encuentra de algún modo difuminada.
Además, los electrones no pueden situarse en la órbita que quieran, sino que sólo pueden encontrarse en unas muy determinadas. Es esta cuantificación de las órbitas de los electrones, presentada por primera vez por el danés Niels Bohr a principios de este siglo, la culpable de las rayas espectrales. Incluso se descubrió que la propia luz estaba compuesta por diminutos corpúsculos que Einstein denominó fotones, lo que explicaba la radiación de cuerpo negro.
El desarrollo de todas estas ideas ha creado una rama de la física sin la cual es imposible entender el mundo: la mecánica cuántica. Gracias a ella sabemos que los átomos se componen de electrones dando vueltas alrededor de un núcleo donde se encuentran los protones y neutrones. Protones y neutrones que a su vez están compuestos de otras partículas más pequeñas llamadas quarks, unidos entre sí por los gluones.
Este marco teórico, llamado modelo estándar, parte de la hipótesis de que existen dos familias principales de partículas elementales, los quarks que son de seis "sabores": up, down, strange, charm, bottom y top, y los leptones, también de seis "sabores": el electrón y su neutrino, el muón y su neutrino y la partícula tau y su neutrino (capaz de atravesar un muro de plomo de varias decenas de años-luz de tamaño sin enterarse). Los leptones (del griego, ligero) pueden encontrarse solos en la naturaleza mientras los quarks no. Siempre aparecen en parejas (dando lugar a los llamados mesones) o en tríos (los llamados bariones, entre los que se cuentan el neutrón y el protón). Mesones y bariones componen el grupo de los hadrones (del griego pesado). Según este modelo, los hadrones sienten la fuerza nuclear fuerte y los leptones la débil.
Fermiones y bosones
Las partículas, a su vez, se dividen en dos grandes grupos en función del valor de cierta característica física llamada espín: si tiene un valor semientero se llaman fermiones y si es entero se llaman bosones. Por ejemplo, el electrón es un fermión pero el fotón es un bosón. La materia está compuesta por fermiones mientras que las partículas transmisoras de las fuerzas son bosones.
Nadie ha podido aún explicar por qué quarks y leptones se agrupan formando sólo tres familias. Curiosamente, desde la Cosmología se puede demostrar que en nuestro universo sólo puede haber, como mucho, cuatro familias.
Parece ser, que los electrones son elementales, no están compuestos por partículas más pequeñas. No se tiene la misma sospecha en el caso de los quarks. No se sabe si hay algo detrás de ellos pero se puede escuchar a los físicos teóricos hablar de prequarks, supercuerdas, supersimetría ... La física de lo muy pequeño está embarcada en la búsqueda de un nuevo Grial: la última y perfecta superpartícula que englobe a las cuatro fuerzas de la naturaleza a los constituyentes de la materia. Pero ésta es otra historia...
Las Fuerzas
De la manzana de Newton a la ansiada Teoría de Todo
El concepto de fuerza es algo cotidiano en nuestra experiencia diaria: viene a ser el agente que altera la velocidad de un cuerpo cambiando su módulo o dirección. Pero en el mundo de las partículas elementales de fuerza tiene un significado más amplio. El comportamiento de un electrón alrededor de un núcleo viene determinado por una interacción distinta a la de la Luna alrededor de la Tierra o la desintegración beta de los átomos.
Todo comenzó con una manzana. El gran físico Isaac Newton experimentó en su cabeza el efecto de la gravedad. Y su genialidad le hizo darse cuenta de que la caída de una manzana al suelo sigue los mismos principios físicos que el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Frente a este hecho tan simple se esconde una tremenda complejidad. Además de la fuerza gravitatoria existen tres más: la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte. Cada una actúa en un "mundo" diferente, con intensidades, rangos y comportamientos distintos. Si nuestras ideas son correctas, dos partículas interaccionan porque intercambian otro tipo de partícula, responsable de transmitir una fuerza dada.
La fuerza de la gravedad, aunque es la más débil de las cuatro, conforma la estructura del Universo. Es de largo alcance y siempre atractiva. Su interacción es transmitida mediante unas partículas aún no descubiertas llamadas gravitones.
La electromagnética es de largo alcance y puede ser atractiva o repulsiva. Los responsables de esta fuerza son los fotones, los componentes últimos de la luz.
La fuerza nuclear débil tiene poca intensidad y es de muy corto alcance. Es la responsable de un tipo de desintegración radiactiva llamada desintegración beta. Los transmisores son los bosones W+, W- y Z0.
Por último está la fuerza fuerte, responsable de mantener unidos los protones y neutrones del núcleo atómico. Las partículas mediadoras de esta interacción se llaman gluones (del inglés glue, pegamento).
¿Por qué cuatro fuerzas y no tres o una sola?. No se sabe muy bien. Sin embargo, los físicos creen que las cuatro fuerzas se pueden englobar en una única "superfuerza". Los científicos suspiran por la máxima simplicidad, por una única teoría que describa de manera unificada la materia y las interacciones fundamentales de la Naturaleza: las llamadas Teorías de Todo. En ello se está trabajando y ya se ha conseguido reunir la fuerza electromagnética y la fuerza débil en una sola. En la actualidad los físicos teóricos persiguen con ahínco englobar en una única descripción la fuerza electrodébil y la fuerte. Estas son las teorías de gran unificación. Sin embargo la gravedad escapa por ahora a todo intento.
Colisiones de partículas en busca de los ladrillos básicos del Universo
La idea griega de átomos indivisibles y, por tanto, elementales, desapareció con el descubrimiento del electrón. Como en las muñecas rusas, los físicos de partículas han ido abriéndolas intentando localizar los ladrillos fundamentales del Universo. Para estudiar la materia a esas escalas tan reducidas han necesitado construir impresionantes y costosos "microscopios" llamados aceleradores de partículas.
El primero se construyó en 1931, bautizado con el nombre de ciclotrón. Desde entonces han ido apareciendo aceleradores cada vez más potentes. Y es que la investigación de la estructura interna de la materia sigue una sencilla regla: cuanto más adentro se quiere explorar, mayor es la cantidad de energía necesaria y, por tanto, mayor la cantidad de dinero a invertir.
En la actualidad, el mayor acelerador del mundo se encuentra en las instalaciones del CERN en Ginebra: el LEP (Large Electron Positron Collider). En una circunferencia de 27 kilómetros se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz electrones y positrones - el equivalente de antimateria al electrón, con carga positiva en lugar de negativa - y se les hace colisionar. Así se producen miles de partículas nuevas cuyas trayectorias son registradas por detectores. De esta forma se descubren nuevas partículas o se buscan aquéllas que predice la teoría.
 El Fermilab y el CERN
Los físicos de partículas también estudian las colisiones entre protones y antiprotones. Una máquina de 7 kilómetros de circunferencia situada a las afueras de Chicago, en el Fermilab, se encarga de ello. El acelerador, llamado Tevatrón, los hace chocar a una energía diez veces superior a la del LEP. Fue en el Fermilab donde se descubrió el último quark que faltaba para completar el llamado modelo estándar de las partículas elementales.
El siguiente paso es construir aceleradores donde las partículas choquen con diez o más veces energía que en el Tevatrón. Los dos grandes proyectos son el SSC (Superconducting Super Collider) en Estados Unidos y el LHC (Large Hadron Collider), que sustituirá al LEP en Ginebra. Por desgracia, el SSC no verá la luz. El Gobierno de los Estados Unidos suspendió los fondos destinados a este multimillonario proyecto y en la actualidad está durmiendo el sueño de los justos.
Los físicos de partículas norteamericanos se han quedado sin juguete más preciado y, si el proyecto del LHC se mantiene, estarán supeditados a las investigaciones realizadas por los europeos. El problema de la estructura interna de la materia es una cuestión de Gran Ciencia: una empresa que mueve millones de euros y muchos intereses.
 
LEP
|
