miércoles, enero 25, 2012

Un Viaje por el Ätomo: partículas, fuerzas y muchas curisodades.

Un viaje por el átomo: partículas, fuerzas y muchas curiosidades


A pesar de que trabajamos con núcleos a diario, y entendemos gran parte de la física que explica su funcionamiento, el núcleo atómico no deja de ser una verdadera caja de sorpresas aún por descubrir. Por muy básicos que sean los conocimientos sobre física de una persona si le preguntas de qué están compuestos los átomos probablemente te responderá que de tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. Esto es completamente cierto, pero ¿sólo hay estos tres tipos?
Si habéis escuchado o leído noticias sobre los grandes aceleradores de partículas como el LHC habréis visto u oído algunas palabras más técnicas como hadrones, bosones, o quarks, que quizá se queden un poco en el olvido por culpa de no entender muy bien lo que son. Dentro de los modelos actuales de física de partículas estos son solo unas pocas de todas las partículas que existen en la naturaleza. Muchas de ellas son tan raras que seguramente no escuchéis hablar de ellas nunca, pero ahí están y su presencia hace posible que la materia exista tal y como es.
Vamos a hacer un repaso al átomo comenzando desde el interior y yendo hacia el exterior, aprovechando también para comentar algunas curiosidades sobre las interacciones existentes en cada escala. Nuestra primera parada son, por tanto, los quarks.

Quarks, sabores y colores

Se conocen como quarks las partículas elementales de las que están hechos los protones y los neutrones, y por tanto los pilares básicos sobre los que está constituida la materia. Existen 6 tipos de quarks, cada uno con unas propiedades características. Lo que más llama la atención de las propiedades de los quarks es que su carga eléctrica es fraccionaria, es decir, es una porción de la unidad de carga e del protón (-e para el electrón). Esto, que puede chocan en un principio, es completamente lógico, como veremos más adelante.

Creación de dos nuevos quarks al tratar de separar una pareja, dando lugar a dos parejas distintas
Los quarks no existen en la naturaleza en estado aislado, sino que siempre se encuentran en parejas o tríos formando otras partículas. Pero, ¿qué pasaría si comenzamos a aplicar energía sobre una pareja de quarks? ¿Lograremos separarlos si tenemos la energía suficiente? La respuesta es no. Por mucha energía que se aplique jamás lograremos que manternerlos aislados más allá de un tiempo minúsculo. Esto es porque llega un momento en que la energía que les hemos suministrado es suficiente para que la conviertan directamente en otros dos quarks que acompañen a los que teníamos inicialmente. Es decir, hemos convertido una pareja de quarks en dos.
Cada quark da un sabor especial a la partícula de la que forma parte. La lista siguiente son los 6 quarks con su respectiva carga eléctrica y su sabor:
  • Quark up (arriba). Carga eléctrica +2/3. Sabor arriba.
  • Quark down (abajo). Carga eléctrica -1/3. Sabor abajo.
  • Quark charm (encanto). Carga eléctrica +2/3. Sabor encanto.
  • Quark strange (extraño). Carga eléctrica -1/3. Sabor extrañeza.
  • Quark top (cima). Carga eléctrica +2/3. Sabor verdad.
  • Quark bottom (fondo). Carga eléctrica -1/3. Sabor belleza.
Los dos primeros son los que unidos dan lugar al protón (unión de 2 up y un down, carga eléctrica total 1) y al neutrón (unión de un up y 2 down, carga eléctrica total 0). El último quark en ser descubierto fue el top, en 1995, que recibe su nombre debido a que es el más masivo de todos. Curiosamente es casi tan masivo como un átomo de oro, que está constituido por 79 protones y 118 neutrones.

Esquema de un neutrón con sus sabores y sus cargas de color
A pesar de que las cargas eléctricas de mismo signo se repelen dentro del protón conviven dos quark up de carga +2/3. Podría parecer que este hecho antes o después fuera a provocar la destrucción del protón, pero no es el caso pues se estima que su vida media es del orden de 1030 años. Si este valor no os dice nada, quizá sabiendo que el universo tiene aún poco más de 1010 años ponéis el número en perspectiva. ¿Cómo es posible, por tanto, que se puedan juntar sin problemas estos dos quarks dentro de un protón? La respuesta está en un tipo de interacción nuclear conocida como interacción nuclear fuerte.
Existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza y esta es la más intensa de todas, de ahí su nombre. Poniendo números a la intensidad de esta interacción podemos estimar que es del orden de 100 MeV. ¿Esto qué quiere decir? Pues que si queremos separar dos quarks tenemos que golpear a la partícula que los contiene con al menos esa energía. Por este motivo se han descubierto quarks tan recientemente en los aceleradores de partículas, porque la energía necesaria para romper los protones o neutrones es muy elevada.
La interacción fuerte también es la responsable de unir los protones dentro del átomo, y tiene un alcance muy limitado. No funciona a escalas mayores que el propio núcleo atómico, es decir del orden de 10-15 metros, unidad que se conoce como femtómetro o fermi. La partícula pegamento que une los protones o los quarks recibe el nombre de gluón y también tiene carga, aunque en este caso no es eléctrica sino que se llama carga de color. Este color puede ser rojo, verde o azul. Y como casi todo en la naturaleza tiene su antagonista, en este caso tenemos los anticolores: antirojo, antiverde y antiazul. Para aclarar posibles confusiones, no debéis imaginaros la carga de color como si los quarks tuvieran realmente un color que podamos ver. Esto sería imposible. Debemos verla simplemente como una propiedad física más de las partículas, como puede ser su carga eléctrica o su masa.

Interacción débil y decaimiento radiactivo

Hemos hablado de los quarks y visto que existen 6 tipos diferentes, pero ¿por qué los protones y los neutrones solo están formados por dos de estos quarks? Para responder a esta pregunta tenemos que pasar a otra de las fuerzas fundamentales: la interacción nuclear débil.

Desintegración beta de un neutrón decayendo en un protón, un electrón y un neutrino
Esta interacción lleva también el apellido de nuclear ya que tiene como rango de alcance únicamente el núcleo atómico. Afecta directamente a los quarks haciendo que los más pesados se transformen en quarks más ligeros. Sabiendo que los quarks up y down son los menos masivos tenemos ya la respuesta a nuestra pregunta: todos los quarks masivos tienden a decaer hacia ellos y por tanto son más estables y pueden formar partículas con una vida media muy grande como es el caso de los protones y los neutrones. En este aspecto el ejemplo del quark top es extremo pues es tan masivo que ni siquiera tiene tiempo de juntarse con otros quarks para formar partículas. El pobre pasa su minúsculo tiempo de vida él solo hasta decaer en un quark bottom.
Esta fuerza también es responsable de jugar con el sabor de los quarks haciendo posible que un protón se convierta en un neutrón, y viceversa, sin más que conmutar un quark up por uno down. Existen más partículas resultado de este decaimiento, pero nos centraremos en ellas más tarde. Solamente decir que una de ellas es el electrón y que este decaimiento recibe el nombre de desintegración beta.
Hay más tipos de decaimientos radiactivos que dan lugar a otras radiaciones como la radiación alfa o la radiación gamma, pero que no tienen que ver con la interacción débil sino con la fuerte y la electromagnética, respectivamente. No las trataremos aquí más allá de comentar que la radiación alfa son núcleos de helio que escapan tras la desintegración de un núcleo masivo en otro más ligero; y que la radiación gamma son fotones producto de la aniquilación de una partícula con su antipartícula.
Así pues, a modo de resumen, la fuerza nuclear débil se encarga de transformar el sabor de los quarks haciendo que éstos tiendan a decaer en quarks más ligeros. Las partículas portadoras de esta fuerza son los bosones W y Z, y si la comparamos en intensidad con la nuclear fuerte nos damos cuenta de que los nombres que les hemos dado tienen su razón de ser: la fuerza débil es del orden de un millón de veces menos intensa que la nuclear fuerte.

Capa electrónica

Terminamos nuestro recorrido por el átomo con la capa electrónica. Como todos sabéis, los electrones son unas partículas que poseen una carga eléctrica negativa. Orbitan el núcleo atómico y son los principales protagonistas de la mayoría de las propiedades físicas y químicas a la materia. Hasta donde sabemos son puntuales, es decir no están compuestos por ninguna otra partícula. Al no estar formado por quarks, el electrón debe catalogarse en un grupo diferente de partículas que los protones o los neutrones. Es el grupo de los leptones.
A pesar de que el átomo nos puede parecer pequeño, lo cierto es que es infinitamente más pequeño de lo que pensamos. Los electrones se encuentran muy separados del núcleo atómico, causando que prácticamente la totalidad del átomo sea espacio vacío. En el caso del átomo de hidrógeno, que solo está formado por un protón y un electrón, la distancia que separa el protón y el electrón es equivalente a considerar como núcleo un balón de fútbol y como electrón una minúscula mota de polvo orbitando a más de 7 kilómetros de distancia. Visto de otra manera: si el Sol fuera un protón, el electrón se encontraría más allá de la órbita de Plutón.
Acostumbrados al mundo macroscópico una cosa así escapa de nuestra imaginación, pero en el mundo cuántico las cosas siempre son diferentes. La interacción que hace posible que los electrones orbiten el núcleo atómico recibe el nombre de fuerza electromagnética. Es muy intensa a cortas distancias, aunque se queda dos órdenes de magnitud por debajo de la poderosa interacción fuerte que mantiene pegados los protones en el núcleo. A diferencia de las dos fuerzas nucleares vistas más arriba, esta interacción es de largo alcance, es decir va disminuyendo poco a poco su intensidad haciéndose cero en el infinito. La partícula que transmite la interacción electromagnética es conocida por todos: el fotón.

Más allá del átomo

Hasta ahora hemos hablado de algunas partículas: los quarks, el electrón, el gluón, los bosones W y Z, y el fotón. A continuación vamos a hacer una distinción más y a separar las partículas en dos grandes grupos. El primero es el de las partículas que dan lugar a la materia, y el segundo será el de las partículas propagadoras de interacciones (fuerzas).
Los quarks y los electrones se encuentran en el primer grupo, y por tanto son fermiones. En este grupo deben añadirse todas las partículas formadas por los quarks (como protones y neutrones) y varios leptones más compañeros del electrón, como el muon, el tau y los neutrinos.
La historia del muon es bastante larga, pues desde que se descubrió en los rayos cósmicos en 1936 ha ido cambiando varias veces de nombre hasta que se finalmente se adoptó el actual al verse que no estaba compuesto de quarks, sino que era una partícula elemental como el electrón. Su vida media es de tan solo 2 millonésimas de segundo por lo que es necesario que viaje a grandes velocidades para que la dilatación temporal predicha por la Relatividad Especial nos permita estudiarlo. Comentar como curiosidad que se han logrado crear átomos en los que el muon sustituye al electrón (ambos tienen carga -1) y que estos son estables hasta que el muon se desintegra. Esto también puede hacerlo su antipartícula, el antimuón, que sustituyendo al protón puede crear un átomo similar al hidrógeno que recibe el nombre de muonio (un antimuón y un electrón).
En cuanto a los neutrinos mucho se ha escrito últimamente sobre su aparente violación del límite de la velocidad de la luz. Desde luego todavía es muy pronto para sacar cualquier tipo de conclusión al respecto, pues hacen falta más experimentos que lo confirmen. Sin embargo, esta no es la única violación que podrían provocar los neutrinos. Si se confirma que su masa no es nula (todo parece indicar que es ínfima, pero no idénticamente cero) estaría violando la conservación de un número cuántico llamado número leptónico. Menudo dolor de cabeza para los físicos es nuestro amigo el neutrino…

Simulación de cómo se observaría el bosón de Higgs en el LHC
Nos falta hablar de algunos términos como hadrones o bosones que también salen a menudo en los medios de comunicación. Los hadrones se definen como el grupo de partículas que sienten la interacción fuerte, y por tanto están formadas por quarks. Dentro de los hadrones hay dos categorías, los mesones y los bariones. Se diferencian en que los primeros son las partículas formadas por dos quarks (un quark y un antiquark) y los segundos son las formadas por tres quarks, como el protón o el neutrón.
Por otro lado, los bosones son las partículas que poseen espín entero, a diferencia de los fermiones que lo tienen semientero. Los ejemplos más representativos son las partículas transmisoras o propagadoras de las interacciones, tales como el fotón, el gluón, y los bosones W y Z. Estos bosones se corresponden con los propagadores de tres de las cuatro fuerzas fundamentales, así que ¿de cuál nos hemos olvidado? Pues de la gravedad. Esta fuerza es tan pequeña a escalas atómicas que es prácticamente despreciable. Sin embargo, su partícula transmisora también es un bosón que recibe el nombre de gravitón. Hasta el momento no ha sido detectado experimentalmente, es decir es una partícula hipotética. También es hipotético, a día de hoy, el famoso bosón de Higgs que el LHC se empeña en encontrar, y que seguramente detecte durante este año 2012. Ya hemos puesto bosón a cada una de las fuerzas fundamentales, de modo que el bosón de Higgs no puede transmitir otra fuerza. Su misión es mucho más fundamental: dotar de masa a las partículas elementales.
Se podrían contar muchas más cosas, pero creo que con esto es más que suficiente para que os hagáis una idea básica (o no tan básica) del modelo estándar de la física de partículas. Si queréis saber más os recomiendo encarecidamente que visitéis la web The Particle Adventure. Navegando por sus secciones descubriréis muchas más cosas sobre el modelo estándar, la física de partículas o los grandes aceleradores.

Resumen y datos curiosos

  • Existen cuatro fuerzas elementales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria.
  • Las partículas propagadoras de estas fuerzas son: el gluón, los bosones W y Z, el fotón, y el gravitón.
  • Si consideramos la intensidad de la fuerza electromagnética con un valor de una unidad, la nuclear valdría 100 unidades, la nuclear débil 0,0001 y la gravitatoria sería completamente despreciable.
  • Si quisiéramos que en el átomo de hidrógeno la interacción gravitatoria fuera igual de intensa que la electromagnética el protón debería pesar casi 4 millones de toneladas.
  • Existen 12 tipos de quarks (6 quarks y 6 antiquarks) que pueden poseer 6 sabores y 6 colores (3 colores y 3 anticolores) distintos.
  • El quark top es tan masivo como un átomo de wolframio, y solo ligeramente menor que uno de oro.
  • La vida media de un protón es muchísimo mayor que la edad del universo. Menos mal, porque no quisiera desintegrarme espontáneamente.
  • Prácticamente el 100% del átomo es espacio vacío.
  • Si el Sol fuera un protón, el electrón se encontraría más allá de la órbita de Plutón.
  • El muon puede sustituir al electrón para crear un núcleo estable durante 2 millonésimas de segundo. De igual forma, el antimuón puede sustituir al protón para crear el muonio.
  • Los neutrinos son capaces de atravesar la materia prácticamente sin interaccionar con ella.
  • El escurridizo, y aún hipotético, bosón de Higgs dota de masa a las partículas elementales del modelo estándar.

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