La Física de las partículas elementales
Luis Manuel Villaseñor Cendejas¹

La investigación científica es fascinante. Hace apenas 200 años, nadie, ni siquiera los científicos que lograron sorprendentes resultados, como Faraday y Maxwell, sospechaban del enorme número de aplicaciones que tendrían sus investigaciones y que hoy hacen nuestra vida mucho más cómoda. Para ilustrar la importancia de los experimentos científicos, vamos a describir cómo se logró entender la estructura de los átomos.

Uno de los descubrimientos científicos más importantes a lo largo de la historia de la humanidad es el hecho de que la materia ordinaria está constituida por átomos. Este hallazgo fue inicialmente sugerido hace cerca de 2400 años por los antiguos griegos, en particular por el filósofo Demócrito, sin embargo, su confirmación rigurosa y apegada al método científico se realizó hasta el año 1905, cuando Albert Einstein publicó un artículo en el que interpretó correctamente el movimiento browniano. Este movimiento se llama así en honor del botánico inglés Robert Brown, quien observó en 1827 que los granos de polen suspendidos en agua presentan un movimiento aleatorio visible a través de un pequeño microscopio. La interpretación de Einstein explica este movimiento como consecuencia del choque aleatorio de las moléculas de agua con los granos de polen.

Se dice que la materia ordinaria está constituida por átomos —ya que existe otro tipo de materia en el Universo, llamada materia oscura—. Gracias a varias observaciones astrofísicas que se han realizado en los últimos 40 años, sabemos que la materia oscura es 6 veces más abundante que la materia ordinaria, sin embargo, aún no sabemos de qué está constituida. Se le llama materia oscura porque, a diferencia de la materia ordinaria, no emite luz y sólo interacciona a través de dos tipos de fuerza, la llamada fuerza débil y la fuerza gravitatoria. Hasta ahora la materia oscura se ha podido detectar únicamente a través de sus efectos gravitatorios a muy grandes escalas, en las galaxias y los cúmulos de galaxias. Sin embargo, en este momento hay un gran número de científicos trabajando para tratar de entender de qué está constituida esta enigmática materia oscura y cómo interacciona a través de la fuerza débil.

También existe otro componente del Universo aún más cuantioso que la materia oscura y de la cual sabemos aún menos. A este componente se le llama energía oscura; se estima que es 18 veces más abundante que la materia ordinaria y su efecto hace que nuestro Universo se expanda en forma acelerada. A pesar de que la comunidad científica estaba segura de que la expansión del Universo debería disminuir con el tiempo, la expansión acelerada del Universo se descubrió por dos grupos de científicos apenas en 1998 y resultó ser toda una sorpresa.

A diferencia de los antiguos griegos que desdeñaban los experimentos, ahora sabemos que para entender cómo funciona el Universo es necesario realizarlos, mismos que se deben planear cuidadosamente. Su importancia es vital, ya que nos permiten poner a prueba todos los aspectos de las teorías que vamos elaborando, gradualmente, hasta que éstas,  nos proporcionan respuestas confiables y duraderas acerca de la naturaleza. Esta es la esencia del método científico, al usarlo como guía hemos emprendido una interminable aventura por los intrincados parajes del conocimiento y hemos podido, poco a poco, aplicar ese conocimiento para el beneficio de la humanidad. Aunque también sería justo decir que en contadas ocasiones, como es el caso de la bomba atómica, ese mismo conocimiento se ha usado para causar muertes y destrucción.

Para ilustrar la importancia de los experimentos vamos a describir cómo se logró entender la estructura de los átomos.

El físico Ernest Rutherford realizó en 1911 una serie de experimentos en los que lanzó proyectiles subatómicos con carga eléctrica positiva, llamados partículas alfa, a una lámina muy delgada de oro. Rutherford y dos de sus estudiantes esperaban que  todos los proyectiles atravesaran la lámina de oro, sin embargo, para su sorpresa encontraron que en raras ocasiones los proyectiles rebotaban.

Según su interpretación eso se debe a que los átomos tienen casi toda su masa concentrada en su centro, llamado núcleo.

El núcleo tiene también carga positiva, de modo que los proyectiles positivos rebotan cuando chocan de frente con el núcleo, debido a que las cargas eléctricas del mismo signo se repelen entre sí. El hecho observado de que sólo una fracción muy pequeña de los proyectiles rebotan significa que el tamaño del núcleo es muy pequeño comparado con el tamaño del átomo.

Aparte de los núcleos, los átomos constan de otras partículas llamadas electrones, que rodean a los núcleos y que poseen carga negativa. Los electrones se descubrieron en 1897 gracias a los trabajos del físico Joseph John Thomson con un aparato llamado tubo de rayos catódicos, parecido a los cinescopios de las televisiones antiguas. Los átomos son normalmente neutros debido a que el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones que circundan el núcleo. En la década de los treinta se descubrió que los núcleos de los átomos están formados por neutrones y protones. Los protones son partículas cargadas positivamente y los neutrones son partículas que tienen casi la misma masa que los protones pero son neutros.

Es casi como un sistema solar en miniatura, salvo que el movimiento de todas estas partículas subatómicas se rige por una teoría que se elaboró gradualmente durante la primera mitad del siglo XX, que se llama mecánica cuántica. Por cierto, Albert Einstein contribuyó en forma crucial a desarrollar esta teoría que en la mayoría de los casos contradice lo que esperaríamos con nuestro sentido común. Son tan inusuales los conceptos de la mecánica cuántica que el mismo Einstein pasó muchos de sus últimos años tratando de encontrar, sin éxito, una teoría alternativa o menos enigmática. Sin embargo, hoy en día contamos con muchos dispositivos de alta tecnología como los láseres, las computadoras, el internet, los celulares, los televisores, rayos X, equipos de diagnóstico y cura de muchas enfermedades, etc., debido al profundo conocimiento que tenemos del mundo microscópico a través de la mecánica cuántica.

El tamaño de los átomos es muy pequeño, por ejemplo, para que un átomo de Hidrógeno, el elemento más ligero y abundante, se viera de un centímetro de diámetro tendríamos que amplificarlo cien millones de veces. En otras palabras, se requerirían cien millones de átomos de Hidrógeno puestos en hilera para completar una línea de un centímetro. El tamaño de los núcleos es mucho más pequeño, cerca de 100 mil veces más pequeño. Si imagináramos que el núcleo de un átomo de Hidrógeno, que es simplemente un protón, fuera del tamaño de uno de los puntos de este texto, de alrededor de medio milímetro de diámetro, entonces el tamaño de dicho átomo de Hidrógeno amplificado sería de cerca de 50 metros de diámetro. Aunque aún no hemos medido el tamaño de los electrones, sabemos que son al menos cien veces más pequeños que los protones, pero a medida que nuestros aparatos de medición se hagan más sensibles quizá podríamos encontrar que son en realidad mucho más pequeños.

El tamaño de los átomos no varía mucho, por ejemplo, el tamaño de un átomo de Uranio, uno de los elementos más pesados que existe en forma natural y 238 veces más pesado que un átomo de Hidrógeno, es sólo cerca de cuatro veces mayor que el tamaño de un átomo de Hidrógeno. Podemos, en consecuencia, decir que los átomos y las moléculas se componen de casi puro espacio vacío.

Por suerte nos ha tocado vivir en un momento muy interesante, justo ahora y a nivel mundial, se están realizando varios experimentos que nos permitirán avanzar en el conocimiento sobre cuáles son y cómo se comportan las partículas elementales. Por ejemplo, en el laboratorio europeo llamado CERN, por sus siglas en francés (Organización Europea para la Investigación Nuclear), trabajan miles de científicos de decenas de países, incluyendo a México. En este laboratorio se realiza al momento un experimento similar al que hiciera Rutherford hace 100 años, pero usando proyectiles que tienen energías miles de millones de veces superiores.

Este experimento consiste en acelerar protones hasta casi la velocidad de la luz en un anillo de 27 km de circunferencia, dentro del llamado Gran Acelerador de Hadrones, mejor conocido como LHC por sus siglas en inglés (Large Hadron Collider). El propósito de este experimento es hacer chocar los protones que viajan en un sentido del anillo con los que viajan en sentido contrario. Como resultado de estos choques podremos recrear algunas de las condiciones que existieron durante las primeras fracciones de segundo después de que se creó el Universo.

A pesar de que el LHC fue anunciado por algunos medios informativos cuando inició sus operaciones, en 2008, como el experimento científico que acabaría con la Tierra, no hay ninguna duda de que el LHC es completamente seguro. Los medios informaron que las colisiones tan energéticas entre los protones producirían hoyos negros, que, aunque microscópicos, gradualmente irían absorbiendo toda la materia a su alrededor hasta acabar con nuestro planeta. Lo que los medios no dijeron es que en la atmósfera de la Tierra ocurren constantemente colisiones entre protones ultra energéticos, que llegan a la tierra con energías 100 millones de veces mayores que los protones del LHC, y los protones y neutrones que hay en los núcleos de los átomos en la atmósfera terrestre. Estas colisiones ocurren con energías efectivas que son decenas de veces mayores que las energías que resultan de los choques entre protones en el LHC. Estos protones que llegan a la tierra, llamados rayos cósmicos ultra energéticos, son acelerados fuera de nuestra Galaxia por algún mecanismo acelerador a escala cósmica que apenas estamos comenzando a entender.

Es fácil darse cuenta que si las colisiones del LHC fueran peligrosas como anunciaron los medios, las colisiones de los rayos cósmicos ultra energéticos con la Tierra, la habrían desaparecido desde hace mucho tiempo. Pero, afortunadamente, nada de eso ocurre y aquí estamos, intentando hacer el experimento más complejo que jamás se haya intentado. La verdad es que no sabemos si se forman o no hoyos negros microscópicos como consecuencia de las colisiones entre protones con altas energías, lo que sí es seguro es que en caso de que se formaran, estos hoyos negros se evaporarían inmediatamente, sin causar daños, a través de un mecanismo de radiación que postuló el famoso científico inglés Stephen Hawking.

Resulta que las investigaciones de los últimos 114 años, desde que se descubrió el electrón en 1897, se pueden resumir en una teoría que se llama el Modelo Estándar. Esta teoría es la más exitosa que tenemos para entender cuáles son y cómo se comportan las partículas elementales. El Modelo Estándar nos permite entender tres de las cuatro fuerzas fundamentales que existen. Estas fuerzas son la fuerza electromagnética, la fuerza débil y la fuerza fuerte. La cuarta fuerza es la fuerza gravitacional, que, a pesar de los avances hechos por científicos como Isaac Newton y Albert Einstein, es sumamente difícil de entender cuando actúa a escalas microscópicas y no tenemos aún un modelo satisfactorio de su comportamiento.

De todas las partículas que incorpora el Modelo Estándar, solamente nos falta por descubrir una, de hecho la que falta es la más importante, porque nos permitirá entender cómo es que las demás partículas adquieren masa. Esta partícula se llama Higgs, en honor al científico Peter Higgs. Las demás partículas del Modelo Estándar son de dos tipos: leptones y quarks por un lado, y partículas intermediarias de las interacciones, por el otro. Del primer tipo, quarks y leptones, la partícula más conocida es el electrón, mientras que del segundo, el de partículas intermediarias, la partícula más conocida es la partícula de luz, también llamada fotón. En este esquema, sabemos que los protones y neutrones están hechos de quarks ligeros. Respecto a los últimos avances que hemos hecho relacionados con las partículas elementales, tal vez el lector se enteró que en 1995 se descubrió el quark top en un laboratorio llamado Fermilab, situado cerca de Chicago. Esta partícula es la más pesada de todos los seis tipos de quarks que hemos descubierto hasta ahora. Estos quarks, al igual que la partícula Higgs, ya habían sido predichos por el Modelo Estándar.

Respecto a la pregunta sobre si vale la pena invertir decenas de miles de millones de dólares en este tipo de investigaciones, podemos comentar que cuando se empezó a estudiar la fuerza electromagnética, hace apenas 200 años, nadie, ni siquiera los científicos que lograron los primeros resultados, como Faraday y Maxwell, sospechaban del enorme número de aplicaciones que tendrían sus investigaciones y que hoy hacen nuestra vida mucho más cómoda. La investigación científica es fascinante: no sólo nos proporciona conocimiento que nos permite entender cada vez mejor a la Naturaleza, sino que además constituye un importante eje de desarrollo integral de los países.

Imagine el lector cómo sería nuestro estilo de vida sin todos los beneficios que tenemos gracias a los avances científicos y a sus aplicaciones tecnológicas.

Aunque el Modelo Estándar ha sido tan exitoso para ayudarnos a entender las maneras en que se comportan las partículas elementales, agrupadas en tres familias de quarks y leptones, sabemos que no es perfecto, porque no incorpora a la fuerza gravitacional. Hoy día creemos que debemos encontrar una teoría que incluya a todas las fuerzas y a todas las partículas. A esa teoría se le conoce como Teoría del Todo. La Teoría del Todo deberá permitirnos entender lo que son la Materia y la Energía Oscuras. El LHC tiene también el potencial para descubrir las partículas que componen la Materia Oscura del Universo. El estudio de lo más pequeño, las partículas elementales, y de lo más grande, el Universo, están íntimamente relacionados.

Como el lector puede apreciar, el trabajo de los científicos nunca termina, cuando se responde una pregunta de inmediato surgen nuevos datos y nuevas preguntas y así, paso a paso, con un interés cada vez creciente, vamos mejorando nuestro conocimiento de la Naturaleza.

Para saber más sobre las partículas y las fuerzas elementales se puede consultar:
http://www.particleadventure.org/spanish/index.html
http://www.solociencia.com/fisica/

¹Instituto de Física y Matemáticas,
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.