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03 febrero 2014

El modelo estándar de la física de partículas

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Los griegos llamaron “átomo” a la partícula más pequeña a la que se pudiera llegar dividiendo la materia. Era un concepto puramente teórico, pero era todo lo que sabían de él y así de impreciso consiguió mantenerse hasta tiempos muy recientes. El modelo se vino abajo a mediados del siglo XIX, cuando se empezó a pensar que el átomo tenía “ partes”.  En 1897  J.J.Thomson (no confundir con W.Thomson, Barón Kelvin) descubrió el electrón como partícula elemental con carga eléctrica negativa, que formaba parte del átomo. Como los átomos eran eléctricamente neutros, se pensó que la materia del átomo tenía carga eléctrica positiva, neutralizada por los electrones. El átomo, por tanto, era como un “pudding de ciruelas” en el que anidaban los electrones.

Ernest Rutherford, físico neozelandés afincado en Inglaterra, dio un paso de gigante en 1911 cuando descubrió el protón en el núcleo del átomo. Era un físico “experimental” (en oposición a físico teórico) y su feliz experimento consistió en bombardear una fina lámina de oro con helio ionizado (átomos de helio desprovistos de sus electrones). Con gran sorpresa vio que la mayoría de iones de helio atravesaban la lámina de oro sin problema, pero algunos “rebotaban” como si hubieran chocado con algo sólido. Dedujo que en el núcleo de los átomos de oro había una partícula dura, a la que se llamó más tarde protón. El átomo, por lo tanto, tenía un núcleo duro de protones . Por este descubrimiento recibió el Premio Nobel de Química, con cierto disgusto por su parte porque él se consideraba físico, no químico (“la Ciencia o es Física o es Filatelia”, era una de sus frases).

Nils-Bohr, físico danés, perfeccionó el modelo atómico y lo describió como un mini-sistema planetario, en el que los electrones negativos giraban alrededor del núcleo positivo. El espacio intermedio estaba vacío. El modelo fue completado por James Chadwick hacia 1932 al descubrir el neutrón como parte del núcleo. El modelo “planetario” sin embargo era incorrecto y no explicaba por qué los electrones, al perder energía, no caían hacia el núcleo central, a pesar de la  atracción  electromagnética entre electrones y protones.

Fue la mecánica cuántica la que resolvió el problema, al determinar que los electrones se movían en diferentes capas u “orbitales” y que no podían moverse del nivel cuántico de energía de un orbital a otro nivel sin recibir o ceder un “cuanto” de energía. Las ecuaciones de Schrödinger fijaron así la estructura del átomo, acompañadas por el “principio de exclusión” de Wolfgang Pauli, según el cual en un mismo orbital sólo puede haber un electrón ( o dos, si sus “espín” o momentos angulares intrínsecos son opuestos). Las funciones de onda o ecuaciones de Schrödinger determinan la  “probabilidad” de que un electrón esté en un punto concreto pero no su posición exacta. Werner Heisenberg con su “principio de indeterminación” había señalado que no era posible fijar simultáneamente la posición y el momento (impulso) de una partícula.

Con este bagaje intelectual se llegó a la segunda guerra mundial y a la fisión del uranio en la bomba atómica. La física, a partir de entonces, empieza a explorar las “piezas” que resultan de la destrucción del átomo. Se descubren más y más partículas (hasta un par de centenas), dando origen a un caos que se ha calificado como el “zoo de partículas”.

Fue Murray Gell-Mann, Profesor de Física en Caltech y Premio Nobel 1969, el que puso orden en el zoo, fijando lo que se ha llamado el “modelo estándar de partículas”. La esencia del modelo no es excesivamente complicada, aunque los detalles queden para los especialistas y profesionales. Las partículas se dividen en dos grandes grupos: las que tienen masa y las que transmiten alguna de las fuerzas de la naturaleza. Las partículas con masa son las que forman los protones y neutrones del núcleo atómico y también forman los electrones que giran alrededor del núcleo.

Las partículas componentes de protones y neutrones se llaman “quarks” y son partículas elementales, es decir, que no se componen de piezas más pequeñas. Los electrones también son partículas elementales. Existen tres familias o grupos de quarks con nombres tan peculiares como “up & down”, “charmed & strange” y “top & bottom” (en castellano: arriba y abajo, encantado y extraño, cima y fondo). Las tres familias tienen cantidades crecientes de masa. Las partículas más comunes en la naturaleza son up & down. Además cada familia tiene su propio electrón y su correspondiente neutrino. El electrón de la segunda familia se llama muón y el de la tercera tau.

Las partículas transmisoras de fuerza no tienen, en principio, masa y su nombre genérico es el de bosones. Cada una de las fuerzas de la naturaleza tiene su partícula transmisora específica: fotón (fuerza electromagnética), gluón (fuerza nuclear fuerte) y bosones W-weak y Z-zero (fuerza nuclear débil). El gravitón, correspondiente a la fuerza de la gravedad, no se ha encontrado hasta ahora. La gravedad es la más “rebelde” de las cuatro clases de fuerza existentes y no se ha conseguido incluir en ningún modelo. Lo que se llama “la teoría del todo” ( la unificación de las cuatro fuerzas) es hoy por hoy una quimera. El mismo Einstein fracasó en su búsqueda, aunque le dedicó las últimas décadas de su vida.

Una peculiaridad de los bosones W y Z es que sí tienen masa, masa que les confiere, según se cree, el famoso bosón de Higgs, recientemente descubierto en el CERN, al cruzarse con ellos en el campo de Higgs. Es en cierto modo una ruptura de la simetría de un modelo estándar, que por lo demás resulta bastante simétrico.

En el plano puramente teórico se habla a veces de una super-simetría, un modelo similar al estándar, donde cada partícula de éste tendría su correspondiente equivalente, eso sí con mayor masa y por ende más pesada. Ninguna de estas super-partículas pesadas se ha encontrado hasta ahora. El modelo super-simétrico podría servir, entre otras cosas, para explicar las dimensiones adicionales del hiper-espacio o la naturaleza de la materia oscura. Temas para dejar volar la imaginación …

Ramón Reis

Economista, Madrid (España)

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