36 El modelo estándar

Los protones, neutrones y electrones no son más que la punta del iceberg de las partículas físicas. Los protones y neutrones están compuestos de quarks aún más pequeños, los electrones van acompañados de neutrinos y las fueras están mediadas por un séquito de bosones, incluyendo los fotones. El «modelo estándar» reúne todo el zoo de partículas en un solo árbol de familia.

Para los griegos, los átomos eran los componentes más pequeños de la materia. Hasta el final del siglo XIX no se infirió la existencia de ingredientes aún menores en los átomos, primero electrones y después protones y neutrones. Entonces, ¿son estas tres partículas los bloques constituyentes últimos de la materia?

Pues no. Incluso los protones y neutrones son de naturaleza corpuscular. Están compuestos de partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Y eso no es todo. Igual que los fotones contienen fuerzas electromagnéticas existe una miríada de partículas diversas que transmiten las demás fuerzas fundamentales. De acuerdo con nuestros conocimientos, los electrones son indivisibles, pero están emparejados con neutrinos prácticamente carentes de masa. Las partículas también poseen un doble de antimateria. Todo esto suena muy complicado y lo es, pero esta plétora de partículas se puede comprender en un sistema único llamado modelo estándar de física de partículas.

Excavación A principios del siglo XX, los físicos sabían que la materia estaba compuesta de protones, neutrones y electrones. Según la teoría cuántica, Niels Bohr describió la disposición de los electrones en una serie de capas alrededor del núcleo, como las órbitas planetarias alrededor del Sol. Las propiedades del núcleo eran aún más extrañas. Pese a sus cargas positivas repelentes, los núcleos podían albergar decenas de protones junto con neutrones comprimidos en una pequeña y dura nuez, unidos por una fuerza nuclear fuerte precisa. Pero cuanto más se avanzaba en el conocimiento de la radiactividad acerca de la ruptura de los núcleos (a través de la fisión) o la unión de los mismos (a través de fusión), resultó evidente la necesidad de explicar nuevos fenómenos.

En primer lugar, la combustión de hidrógeno de helio en el Sol, por medio de una fusión, implica a otra partícula, el neutrino, que transforma protones en neutrones. En 1930, se infirió la existencia del neutrino para explicar la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón: la desintegración radiactiva beta. El propio neutrino no fue descubierto hasta 1956, sin apenas masa. Por tanto, en la década de 1930 había aún muchos cabos sueltos. Al estirar de algunos de estos hilos, en las décadas de 1940 y 1950 se descubrieron otras partículas y la colección se amplió.

Producto de esta investigación se desarrolló el modelo estándar, que consiste en un árbol de familia de las partículas subatómicas. Hay tres tipos básicos de partículas fundamentales, los «hadrones» compuestos de «quarks»; otros llamados «leptones», que incluyen los electrones; y después partículas (bosones) que transmiten fuerzas, como los fotones. Tanto los quarks como los leptones cuentan también con su antipartícula correspondiente.

Quarks En los años sesenta, al disparar electrones sobre protones y neutrones, los físicos descubrieron en su interior partículas aún más pequeñas, a las que llamaron quarks. Los quarks se presentan en tríos. Son de tres «colores»: rojo, azul y verde. Igual que los electrones y protones tienen carga eléctrica, los quarks tienen una «carga de color», que se conserva cuando cambian de un tipo a otro de quark. La carga de color no tiene nada que ver con los colores visibles de la luz, es sólo que los físicos tuvieron que agudizar la imaginación y encontrar una forma arbitraria para nombrar las extrañas propiedades cuánticas de los quarks.

Del mismo modo que las cargas eléctricas producen una fuerza, las cargas de colores (quarks) pueden ejercer fuerzas unas sobre otras. La fuerza de color es transmitida por una partícula de fuerza llamada «gluón». La fuerza de color se hace más fuerte cuanto más separados están los quarks, de modo que se adhieren unos a otros como si estuvieran sujetos por una banda elástica invisible. Como el vínculo del campo de la fuerza de color es tan fuerte, los quarks no pueden existir por sí mismos y tienen que estar siempre bloqueados juntos en combinaciones de color que sean globalmente neutras (que no presenten ninguna carga de color). Las posibilidades incluyen grupos de tres llamados bariones (del griego «barys», pesado), dentro de los cuales se encuentran los protones y neutrones normales o los pares quark-antiquark (llamados mesones).

Además de tener carga de color, los quarks se presentan en seis tipos o «sabores». Cada generación está formada por tres pares de masa creciente. Los más ligeros son los quarks «arriba» y «abajo»; a continuación, están los quarks «extraño» y «encanto»; y finalmente el par de quarks más pesados, «cima» y «fondo». Los quarks arriba, encanto y cima tienen cargas eléctricas +2/3, y los quarks abajo, extraño y fondo tienen carga -1/3. Por tanto, hacen falta tres quarks para formar un protón (dos arriba y uno abajo) o un neutrón (dos abajo y uno arriba).

Leptones La segunda clase de partículas, los leptones, están relacionados con los electrones y además los incluyen. De nuevo, hay tres generaciones de masa creciente: electrones, muones y taus. Los muones son unas 200 veces más pesados que el electrón y los taus unas 3.700 veces. Los leptones tienen una sola carga negativa. También tienen una partícula asociada llamada neutrino (electrón, muón y tau-neutrino), que carece de carga. Los neutrinos no tienen apenas masa y no interactúan demasiado con nada. Viajan por la Tierra sin ser percibidos, por lo que son difíciles de captar. Todos los leptones tienen antipartículas.

Interacciones Las fuerzas fundamentales están mediadas por el intercambio de partículas. Igual que la onda electromagnética que también se puede imaginar como una corriente de fotones, la fuerza nuclear débil se puede imaginar como si fuera transportada por partículas W y Z, mientras que la fuerza nuclear fuerte se transmite por medio de gluones. Como el fotón, estas otras partículas son bosones, que pueden existir todos en el mismo estado cuántico simultáneamente. Los quarks y los leptones son fermiones, y no pueden.

Colisiones de partículas ¿Cómo conocemos todas estas partículas subatómicas? En la segunda mitad del siglo XX, los físicos expusieron el funcionamiento interno del átomo y de las partículas por medio de la fuerza bruta: los aplastaron. La física de partículas ha sido descrita como si cogiéramos un complicado reloj suizo, lo aplastáramos a martillazos y luego buscáramos los fragmentos para averiguar cómo funciona. Los aceleradores de partículas utilizan imanes gigantes para acelerar partículas hasta velocidades extremas y después estrellan esos rayos de partículas contra un blanco o bien contra otro rayo en dirección opuesta. A velocidades moderadas, las partículas se fragmentan levemente liberando las generaciones más ligeras de partículas. Dado que la masa equivale a la energía, hace falta un rayo de partículas de energía superior para liberar a las últimas generaciones de partículas (las más pesadas).

A continuación, hay que identificar las partículas producidas en los colisionadores de átomos fotografiando su trayectoria al pasar a través de un campo magnético. En el campo magnético, las partículas cargadas positivamente giran bruscamente en un sentido y las negativas en el otro. La masa de las partículas también determina lo rápido que alcanzan el detector y cuánto se curva su trayectoria debido al campo magnético. Por lo tanto, las partículas ligeras apenas se curvan y las partículas más pesadas pueden llegar a formar bucles en espiral. Al trazar un gráfico de sus características por medio del detector y compararlas con las que cabría esperar según la teoría, los físicos de partículas pueden señalar de cuáles se trata.

Algo que todavía no se ha incluido en el modelo estándar es la gravedad. Se ha postulado la existencia del «gravitón» o partícula que transmite la fuerza gravitatoria, pero únicamente como una idea. A diferencia de la luz, aún no hay evidencias de que la gravedad posea naturaleza granulosa. Algunos físicos han intentado incluir la gravedad en el modelo estándar en lo que podría ser una Teoría de la Gran Unificación (TGU). Pero todavía está muy lejos.

Cronología:

aprox. 400 a. C.: Demócrito propone la idea del átomo.

1930 d. C.: Wolfgang Pauli predice la existencia del neutrino.

1956 d. C.: Se detectan los neutrinos.

década de 1960 d. C.: Se proponen los quarks.

1995 d. C.: Se descubre el quark «cima».

La idea en síntesis: todo queda en familia