Pese a ser verano, no vamos a dejar de publicar...
Nos habiamos quedado en la entrada anterior en lo siguiente: el maravilloso y simple modelo de tres particulas: electrones, neutrones y protones junto con el foton, se vino a bajo: se descubrió la antimateria (el positrón), los piones, los muones, etc...
La década de los años cincuenta fue una auténtica explosión demográfica de partículas: primero en los rayos cósmicos y seguidamente en los aceleradores de partículas que se crearon a la sazón: se empezaron a descubrir un auténtico zoo de partículas aparentemente elementales:
partículas extrañas, más mesones, el neutrino muónico...
Vamos a ver unas cuantas:
Mesones: piones(pi-,pio,pi+), kaones (K+, Ko, K-), ...
Bariones: Protones, neutrones, partícula lambda, sigma (+, o, -), cascada o Xi (Xo,X-), ...
Vamos a familiarizarnos antes con las palabras de la jerga de particulas subatomicas y cómo se clasifican:
Una clasificación es:
Fermiones: toda partícula que cumple el principio de exclusión de Pauli.
Bosones: si no cumple el principio de exclusión.
A su vez ambos pueden ser Hadrones (partículas que participan y por tanto, a las que sí afecta la fuerza nuclear fuerte) o No Hadrones (si no les afecta).
Combinando ambos criterios surgen cuatro grupos:
Empezaron a surgir tantas partículas nuevas, y cada vez que se aumentaba la potencia del acelerador con que se creaban surgían más, que se empezaron a preguntar si de verdad eran todas elementales.
Al igual que sucedió en el siglo XIX empezaba a haber demasiados elementos quimicos para ser todos ellos partículas fundamentales. Con Dalton, ... se descubrieron las leyes de la química pero no por que funcionaba así.
Por suerte, apareció Mendeleyev, quien en 1869 concibió la Tabla Periódica de los elementos químicos. La tabla no sólo colocaba todos los elementos conocidos si no que al quedar huecos en ella, además permitía predecir la existencia de nuevos elementos aún no descubiertos: años después se descubrieron el Escandio (1876), el Galio (1875) y el Germanio (1886). Y lo que era
más importante aún: predecir qué propiedades tendrían: peso, valencia quimica, etc...
Sin embargo no permitía predecir cuantos grupos había ni por qué. Fué un autentico descubrimiento el primer gas noble en 1894, el neón (de ahí el nombre "el nuevo") que no encajaba en ningún grupo o columna anterior, así se creo una nueva la de los "gases nobles". ¡Nadie había predicho el hueco en la tabla de toda una fila!
Al igual que entonces apareció el genio de mediados del siglo XX: Murray Gell-Mann, quien junto con Yuval Ne`eman, se dieron cuenta de que la nueva jauría de partículas podía ordenarse según una forma de geometría, una especie de tabla periódica. En lo que se llamó la Vía Óctuple: Físicamente sería como un conjunto de grupos a veces de ocho elementos, a veces de diez y donde las propiedades podían deducirse como en el caso de la tabla de elementos químicos de su posición
Ordenando en familias por hadrones del mismo spin, e igualmente para mesones, surgían grupos y subgrupos de diez, ocho, etc... así los hadrones se agrupaban en dedupletes (diez miembros), octetes (ocho), tripletes (tres), dupletes (dos) y singletes (sólo uno)...
El esquema funcionaba tan bien que predecía la existencia de una partícula aún no descubierta así como sus características más importantes (masa en eV, spin, etc...) fué como un reto a los físicos experimentales: Murray la llamó partícula Omega, ya que era la última del grupo. Todos se lanzaron a buscarla ¡y se descubrió al poco en 1964!.
Todo el mundo creía en la VIA OCTUPLE. ¿Pero, por qué funcionaba? Al igual que sucedió con la tabla periódica había demasiados miembros integrantes, y una estructura geométrica sencilla que claramente indicaba un orden o un nivel jerarquico inferior subyacente.
Hablaremos antes un poco de las partículas extrañas, que sólo tenían de extrañas que tardaban en desintegrarse mucho más de lo que predecían las teorias: luego pese a que deberían desintegrase por intermediación de la fuerza fuerte parecía que lo hacían por la fuerza débil... les pareció "extraño".
Murray se dió cuenta de que podíamos definir un nuevo número cuántico al que llamó Extrañeza. Este número se conservaba en todas las interaciones salvo un único tipo de desintegración débil. Pero incluso en ese caso la extrañeza sólo variaba en una unidad cada vez.
De nuevo con unas reglas sencillas podríamos predecir los fenómenos, pero no explicarlos...
Justo cuando se encontraba la partícula Omega (1964) Murray Gell-Man ideó la solución: la llamó Quarks! (el origen del nombre es una simpática cita del James Joyce: "Three quarks for muster Mark").
Efectivamente lo planteó así:
Debía de haber unos constituyentes más pequeños: Al ser los hadrones fermiones y cumplir el principio de exclusión de Pauli, debían estar compuestos a su vez por fermiones y en número impar. El número uno es trivial (sustituimos una partícula por otra... y no arreglamos nada es una identidad) vamos a intentarlo con el número tres:
Hasta entonces sólo se habían encontrado partículas con carga +2, +1, 0 y -1, (nunca por ejemplo -2, ni +3), se sabía pero no podía explicarse.
Por combinatoria divimos entre 3 (el numero de partículas combinadas) la más alta y la más baja: y nos salen cargas de +2/3 y -1/3 las llamó quarks Up (u) +2/3 y Down (d) -1/3.
Sí... ya sé que ofende a la vista la primera vez que se ve una carga fraccionaria, pero dejad que continue...
Las combinaciones que salen son:
uuu +2
uud +1 (protón)
udd 0 (neutrón)
ddd -1
¡Bingo! Ahora ya se explica y demostraba por que sólo salían esas cargas y no otras.
(En la figura un neutrón)
Y para explicar las partículas extrañas necesitaba un tercer ingrediente otro "sabor" para su receta y le llamó "Extraño" (s), del inglés strange, que tenía también carga -1/3 y era más pesado que los otros dos (de masa casi muy parecida, por eso el neutrón pesa casi igual que el protón pero ligeramente más).
Quedaba por aclarar sólo un misterio: ¿cómo podían estar tres partículas de spin 1/2 en el mismo estado cuántico? dos sí pueden apuntando una en una dirección y otra en la contraria (imaginadlas como una pequeña flecha una apuntando hacia arriba y la otra hacia abajo, la tercera debe coincidir o bien hacia arriba o bien hacia abajo).
Esta paradoja se resolvió al explicar cómo funcionaba la fuerza fuerte realmente, ya que ahora lo que une realmente son quarks, y entre ellos y como una manifestación "menor" de su enorme fuerza une a los nucleones: la fuerza fuerte actúa sobre partículas que tienen "carga nuclear". Carga al igual que en el caso del electromagnetismo, pero en vez de dos cargas distintas (que en ese caso se denominaron positiva o negativa, aunque no tienen nada que ver con los signos aritméticos, también lo podíamos haber denominado masculino-femenino o ying-yang....) la carga nuclear es de tres tipos y al igual que en el electromagnetismo sólo se anula cuando se juntan y equilibran todas las distintos tipos de cargas (en este caso tres). Los físicos del siglo XX fueron más imaginativos que los precedentes: ¿qué hay que se anule de tres en tres? El color en la luz, así juntando luz verde, roja y azul obtenemos luz blanca que no posee ningún color a nuestros ojos, es transparente.
Se añadió un nuevo número cuantico: el del color, así pueden coincidir tres quarks a la vez cada uno de un color o si son dos, de un color y su antiquark: un mesón puede formarse a partir de un quark rojo y otro quark antirojo, la suma sigue siendo neutra (en cuanto a carga de color se refiere).
(En la figura un Meson, que consta de un quark y un antiquark que además deben de ser de un color y su anti color, aqui el antiazul es el amarillo _si los mezclas obtienes luz blanca de nuevo...)
No le importa el "sabor" a la fuerza fuerte, es "ciega" a éste, sólo importa el color del quark. Así para la fuerza fuerte un proton es indistinguible de un neutrón.
Por supuesto no tiene nada que ver con el color real (todas son mucho menores que la longitud de onda de la luz visible). A la teoría que explicaremos en la proxima entrega se la llamó Cromodinámica Cuántica (por el paralelismo con la electrodinámica cuantica).
(Arriba en la figura, la predicha particula Omega-, ¡Claro que faltaba! Era la única combinación de los tres primeros quarks aún no encontrada y la más energética ya que consta de tres quarks extraños que es el más pesado de los otros dos).
¿Fácil no? Como todas las ideas geniales un vez explicado todo el mundo se dijo: ¿pero cómo no lo ví yo mismo antes?
Justo por estas fechas ya había indicios por parte de los físicos experimentales, de que los nucleones tenían constituyentes menores. Se habían realizado experimentos apuntando chorros muy energéticos de electrones contra el neutron y el protón, que dibujaban o dejaban entrever unos corpúsculos que giraban aparentemente de forma libre en su interior y a los que se denominó "partones" (que inmediatamente se asociaron a los quarks predichos por los teóricos).
También dejaban claro que el nucleón era un sistema extenso, no era puntual, con un diametro de al menos 10 elevado a la -13 m.
A Murray le faltó sólo una cosa... las teorías se volvían irrenormalizables.. se predecían corrientes neutras de cambio de extrañeza que nadie había observado (no se daban en la naturaleza realmente...) y por esta fecha un doctorado de Julian Swinger,
Sheldon Glashow demostró que se necesitaba un cuarto sabor de quarks: lo llamó "Charmed" (c), encantamiento. Según él porque alejaba todo maleficio de la teóría. Carga +2/3 y mucho más pesado que los otros. Aparte de que estéticamente se veía de lejos:
un primo gordo del quark down, pedía a gritos otro del quark up.
Sheldon ha sido injustamente olvidado o poco citado, pese a que recibió el premio Nobel de Física en 1979 por su teoría de unificación de la fuerza débil con la lectromagnética, junto con Steven Weinberg y Abdus Salam los cuales le añadieron en 1971 a su teoría (que databa de 19961) el mecanismo de ruptura de simetría con bosones de Goldstone cuyo más simple mecanismo son las partículas de Higgs. No sólo apostó por los quarks, si no que predijo un nuevo cuarto sabor y sus características (carga, masa , spin, etc...). Unificó dos grandes fuerzas, ideó los diagramas renacuajo o pingüino, el mecanismo GIM (Glashow, Iliopoulos, Maiani) y una candidata a Teoría de la Gran Unificación (unificando las fuerzas electrodébil y fuerte).
Algunos años después (1974) se descubrió la primera partícula "encantada" la llamaron J/Shi (que en inglés suena y da lugar a la simpática broma "Gipsy" partícula gitana). Compuesta por un quark encanto y su anti quark. Un "Charmonium" (al igual que el positronium era con un electron y un positron, su antiparticula). Un grupo de investigadores (liderados por Sam Ting) la encontró y la llamó J y otro a la vez la llamó Shi (liderados por Burt Richter), al coincidir y ser la misma se la llamó así JShi. Ambos recibieron el premio Nobel de Física de 1976 por el descubrimiento, que fue crucial: no sólo se confirmaba el cuarto sabor de quark si no que se confirmaba de hecho la teoría de los propios quarks por entonces aún en tela de juicio, pese a la abrumadora acumulación de pruebas y éxitos teóricos. Pero la física es así, si no se puede comprobar ni medir nada, no es física aún, no se diferencia tanto de la metafísica.
Lo que fué un descubrimiento no esperado fué el quinto quark. Al que llamaron "Bottom" (b) (Fondo o Valle y a veces, Belleza).
Así que aunque no se encontró hasta 1991 se postuló inmediatamente la existencia del sexto sabor al que llamaron "Top" (Cima o Cresta)
Si veis en la tabla el salto en la masa veréis por que se tardó una década en encontrar al por ahora último quarks. Hay un salto de 4,2 GeV a casi 175 GeV) unas cuarenta veces más pesado!.
El quark Top es tan pesado casi como un nucleo de oro o plomo. Y se desintegra tan rapidamente que no le da tiempo a formar hadrones
(se espera que gracias a eso igual puede observarse un quark aislado y se acaba de encontrar un Top aislado y solo sin su antiquark hace unos meses y nos hicimos eco en nuestro blog en Noticias del Fermilab).
Colores, sabores... al igual que con la tabla periodica, la teoría funciona pero no podemos predecir un nuevo grupo entero, ni por qué hay tres, ni si hay más. Sólo sabemos que al menos debe haber tres familias, como demostraron desde 1972 los japoneses Kobatashi y Maskawa (premios Nobel de Fisica este año 2009 del que nos hicimos eco con una entrada en nuestro blog en primavera). Demostraron que la ruptura de la simetría CP sólo funciona si hay al menos tres familias de quarks-leptones. Gracias a esas familias que parecen no servir para nada estamos nosotros aqui: si sólo hubiera una única amilia (los quaks u y d y el electrón con su neutrino) toda la materia y la antimateria se habrían aniquilado al comienzo del univeso y no quedaría nada salvo radiación.
Todo nuestro mundo del día a día actual se explica con la primera familia. ¿Por qué se molestó la naturaleza en crear más?, ¿para qué sirven? ¿No parecen de nuevo muchas partículas? ¿Hay algunas partículas por debajo, menores aún?... ¿Qué pensais vosotros? Existieron en condiciones de temperatura y energía tales que sólo se dieron al comienzo del universo... pero puede que ahora también se estén dando constantemente en otras partes en condiciones extremas: como la muerte de una estrella, cercanías o elinterior de objetos masivos como estrellas de neutrones, agujeros negros, etc...
Como curiosidad os comentaré que se han postulado también recientemente las "estrellas extrañas", un siguiente paso en el colapso gravitatorio de un estrella tras su muerte. En este caso la gravedad también aplasta a la estrella de neutrones, cuyo principio de exclusión entre neutrones aguanta hasta cierto peso de la estrella, por encima del cual se creía que colapsaba en un agujero negro. Ahora pensamos que puede haber otro escalón siguiente: una sopa de quarks...constituiría una estado intermedio entre las estrellas de neutrones (con toda la masa de una estrella mucho más pesada que nuestro Sol y un diametro de apenas 30 Kms) y un agujero negro. La estrella de quarks estraños sería un poco más pesada aún y su diámetro algo mayor de 10 Kms!.
Haciendo combinatoria el modelo de la via octuple se organiza en preciosas figuras geometricas.
En la figura se ven todas las combinaciones que incluyen quarks u,d,s,b (que es por donde se esta buscando y comprobando ahora mismo, solo falta comprobar la bbb). Cada piso tiene numero de belleza creciente (b=0, b=1, b=2, b=3). Hay una figura similar para u,d,s,c y ya se han encontrado todas.
Hace unos meses se encontró la partícula "Omega sub b"(ssb), ya os ampliaré la noticia.
(Observar que la base hexagonal con numero cuantico de belleza b=0 es nuestro esquema hexagonal de más arriba de Bariones de spin 1/2 de la via octuple original)
Todo esto son los hadrones, pero los leptones tampoco se quedaron cortos. Se descubrió que el neutrino del muón era distinto del que acompañaba a los electrones. Por si fuera poco, al igual que el quark top, se encontró inesperadamente otro "primo" aún más pesado que el muón y se le llamó "Tau". Inmediatamente se postuló la existencia de su neutrino. Y la imagen de partículas quedó así: tres familias de quarks cada una con su correspondiente famialia leptón (electrón y neutrino, etc...).
TEORIA PROPIA: Yo tengo mis propias ideas: para mí ya hay demasiadas partículas otra vez para ser todas elementales y no podemos predecir su número... pistas que indican un orden inferior (hay elementos más pequeños aún SEGURO!).
Incluso así, ya veremos que las 
partículas de Higgs dotan de masa a las otras, se ha postulado para explicar que, a mucha energía, el fotón (sin masa) y las W y Z (fuerza debil muy pesadas) sean hermanas, digamos que adquieren masa absorviendo Higgs.
¿A nadie se le ha ocurrido que las distintas familias de quarks sean realmente una única interactuando de distintas formas con el campo Higgs o similar? ¡No me lo puedo creer!
Otra pista es la carga fraccionaria. Sólo indica que es la tercera parte de la del electrón (en el caso de -1/3) o dos veces y de signo contrario (en el caso de 2/3). Pero, ¿Por qué debería ser la carga básica o menor la del electrón? Hasta las energías, esto es las distancias o tamaños, a las que se ha podido prospeccionar en laboratorio, el electrón se comporta como si fuera una partícula sin constituyentes más pequeños (al igual que el quark).
Pero yo me apuesto algo con vosotros elementales: si tomamos como carga elemental la del quark down su carga sería de -1, la del up sería de 2 y la del electrón de -3, ¿no os parece un buena pista de que hay algo más pequeño debajo? Al menos el electrón consta de 3 de ellos. Y el quark al menos de 2, pero como hemos dicho que es un fermion debe tener un número impar... Aparente paradoja. Hay que descubrir un nuevo orden inferior, y probablemente con reglas nuevas (como sucedió cuando se descendió a distancias inferiores al átomo y aparecieron las reglas del mecánica cuantica, tan aparentemente alejadas del sentido común).
Según mi teoría los tres quarks con carga +2/3 (u,c,t) son el mismo! Pero han adquirido distinta masa al interactuar a distinta energía con las Higgs. Idem para los de carga-1/3 (d,s,b) se trata del mismo, no de tres distintos! Lo mismo les debe suceder a los tres leptones (electrón, muón y tau) deben ser el mismo. Y a los tres neutrinos: que son el mismo! (de hecho ya hay pruebas de que cambian de sabor entre ellos en su camino desde el Sol hasta nosotros). Sólo hay que definir mejor y ampliar el mecanismo de Higgs o alguno similar.
En nuestra próxima entrega continuaremos con el modelo standard del que nos faltan aún las fuerzas y todo lo demás para que "funcione", y seguiremos con las propuestas para más allá del modelo y qué queda por comprobar del mismo, ver si se va cumpliendo..., qué sorpresas se han encontrado ya, y cuáles nos encantaría encontrar.
Un saludo Elementales
Francisco Menchen
Esa fuente de energía es la que mantiene encendida la dinamo magnética de La Tierra que nos apantalla de las peligrosas radiaciones procedentes del espacio, sin la cual no podría haber vida en la Tierra tal y como la conocemos.
