El Modelo Estándar

La mejor explicación que se tiene acerca de las partículas subatómicas es lo que se conoce como Modelo Estándar que fue formulado entre 1970 y 1973 y aunque no contempla la fuerza gravitatoria, es consistente con la Mecánica Cuántica y la Teoría Especial de la Relatividad para explicar en lenguaje matemático cómo la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil a través de partículas portadoras interaccionan con las más de 200 partículas que constituyen la materia.
Las propiedades que caracterizan a las partículas son: masa, carga eléctrica, espín y carga de color. En las partículas compuestas los valores de estas propiedades se obtienen sumando los valores de las partículas que las componen.
Tanto las partículas elementales como las compuestas se dividen en dos categorías en función de su comportamiento ante el Principio de Exclusión de Pauli, que establece que no puede haber dos partículas en el mismo estado cuántico:

• Fermiones, que cumplen el Principio de Exclusión. Son partículas que tienen espín semientero como los protones, los neutrones y los electrones, los tres tipos de partículas subatómicas que constituyen la materia ordinaria. El principio de exclusión de Pauli rige muchas de las características distintivas de la materia. Quizás la consecuencia más notable es que en un átomo multielectrónico, nunca puede existir más de un electrón en cada estado cuántico. Esto permite entender las propiedades de los elementos químicos que se expresan en la Tabla Periódica.
• Bosones, que no cumplen el Principio de Exclusión. Son partículas que tienen espín entero como el fotón y el (hipotético) gravitón.  Debido a esto, una multitud de fotones puede estar en un mismo estado cuántico haciendo posible la existencia de los láseres de fotones (pero no los láseres de  electrones).

De los dos centenares de partículas que se describen en el modelo, sólo hay 17 partículas elementales:

• 12 que pertenecen a la categoría de los fermiones y son 6 quarks y 6 leptones.
• 5 que pertenecen a la categoría de los bosones. 4 bosones portadores de las fuerzas elementales y el bosón de Higgs que es la que interaccionando con todas las demás partículas les proporciona la masa.

El resto de las partículas que se describen en el modelo son partículas compuestas. Entre las partículas compuestas están los protones y neutrones que antes se consideraban como elementales.
El Modelo Estándar necesita la hipótesis de la partícula de Higgs, que aún no a sido observado, para explicar la masa de las partículas pero no tiene explicación a la falta de masa del fotón. Por estas razones, a pesar de sus méritos, el Modelo Estándar está considerada como una teoría parcial que habrá que modificar o sustituir en el futuro.

Juan Rojas

¿ De qué está hecha la materia ?

El espíritu científico del hombre se ha desarrollado, por curiosidad o por interés, a través del deseo de conocer de qué está hecha a materia que constituye el mundo en que vivimos.
Desde el siglo V a.C. la respuesta es que el mundo está hecho de átomos. Fueron los filósofos griegos  Leucippo de Mileto y su discípulo Demócrito de Abdera quienes originaron la filosofía atómica, introduciendo la noción de un constituyente último de la materia, que denominaron átomo (es decir, indivisible en la lengua griega). Demócrito creía que los átomos eran uniformes, sólidos, duros, incompresibles e indestructibles y que se movían en número infinito por el espacio vacío; según sus ideas, las diferencias de forma y tamaño de los átomos determinaban las propiedades de la materia.
Sin embargo, no se generó el concepto por medio de la experimentación sino como una necesidad filosófica que explicara la realidad, ya que, como proponían estos pensadores, la materia no podía dividirse indefinidamente, por lo que debía existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean.
El primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1808 por John Dalton, quien todavía  imaginaba a los átomos como diminutas esferas.
El químico ruso Dmítri Ivánovich Mendeléyev creó en 1869 una clasificación de los elementos químicos en orden creciente de su masa atómica, remarcando que existía una periodicidad en las propiedades químicas.
Fueron necesarios más de 2000 años antes que los físicos modernos comprendieran que el átomo es divisible, y que no es ni duro, ni sólido, ni inmutable. Desde comienzos del siglo XX se sabe que el centenar de átomos diferentes que constituyen la materia conocida están compuestos de otros constituyentes más elementales organizados en un núcleo y una corteza. Que el núcleo lo forman protones (descubiertos en 1918 por Rutherford) y neutrones (descubiertos por Chadwick en 1932). Y que la corteza está compuesta por  electrones (descubiertos por Thomson en 1897). En esas fechas se volvió a pensar que protones, neutrones y electrones eran realmente los constituyentes últimos de la materia.
Desde esas fechas, los científicos han seguido investigando cuáles son los constituyentes más elementales de la materia que se compone el universo y cómo esos constituyentes se mantienen juntos. Es decir, cuales son "los ladrillos" y "el cemento" de este edificio que es el universo en el que vivimos.
La búsqueda de respuestas a estas preguntas ha requerido la construcción de gigantescos aceleradores de partículas y ha significado una de las aventuras intelectuales más importantes del siglo XX. Para ello hubo que apartarse de la Mecánica Clásica de Newton y construir los tres pilares básicos de la física moderna:

• la Mecánica Cuántica
• la Teoría de la Relatividad Especial (espaciotiempo)
• la Teoría de la Relatividad General (gravitación)

Con todo este bagaje se ha llegado a la conclusión de que protones y neutrones estaban a su vez formados por otras partículas mas elementales que se han denominado quarks. Hay 6 tipos de quarks que reciben los nombres de: arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo. Pues bien, el protón esta constituido por dos quarks arriba y un quark  abajo y el neutrón por dos quarks abajo y un quark arriba.
En cambio, los electrones si se han confirmado como constituyentes elementales de la materia. Pero se han encontrado otras partículas elementales que guardan una cierta analogía con los electrones, denominados neutrinos. A este grupo de electrones y neutrinos se le denominan leptones.
En resumen, el estado actual de los conocimientos nos permiten afirmar que:

• "los ladrillos" con los que está hecha toda la materia que conocemos son un reducido número de partículas  elementales denominados quarks y leptones.
• y que "el cemento" que une esas partículas consiste en cuatro fuerzas elementales, que sorprendentemente actúan mediante el intercambio de otras partículas elementales denominadas bosones que transportan dichas fuerzas. Los bosones están compuestos por un quark y un antiquark.

Las 4 fuerzas elementales citadas son:

• La fuerza gravitacional, que es una fuerza atractiva de baja intensidad (relativa) pero de largo alcance que conforma la estructura del universo. La gravedad nos mantiene a todos pegados a La Tierra, La Tierra girando alrededor del Sol y el Sistema Solar girando alrededor de la galaxia. El bosón que transporta esta fuerza es una partícula hipotética (todavía no se ha encontrado) denominada gravitón.
• La fuerza electromagnética, que es una fuerza atractiva o repulsiva de muy alta intensidad y de largo alcance que mantiene a los electrones alrededor del núcleo, produce los efectos electrostáticos, las corrientes eléctricas y los atracciones magnéticas y causa la propagación de las ondas electromagnéticas alrededor de La Tierra y a través de todo el universo. El bosón que transmite la fuerza electromagnética es el fotón.
• La fuerza nuclear fuerte, que es una fuerza de alta intensidad y muy corto alcance que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones y a estos los mantiene unidos dentro de los núcleos atómicos. El bosón que transporta la fuerza nuclear fuerte recibe el nombre de gluón.
• La fuerza nuclear débil, que es una fuerza de poca intensidad y muy corto alcance que causa la desintegración de los núcleos radiactivos en los que un protón se convierte en un neutrón o viceversa. Esta fuerza se transmite por tres bosones denominados W⁺,W^- y Z.

Las dos primeras fuerzas (gravedad y electromagnética) se observan macroscópicamente por lo que tenemos de ellas una percepción sensorial. Las otras dos, interacciones nucleares, como sus nombres indican no son directamente observables porque solo actúan dentro de los núcleos atómicos o entre las partículas subatómicas.

Juan Rojas

De qué está hecho el universo

El desarrollo de la espectroscopía astronómica permitió averiguar que los demás planetas, estrellas, galaxias y el material interestelar que se podía observar con los telescopios estaban compuestos por el mismo centenar de átomos que se habían descubierto en La Tierra. Curiosamente, por medio de la espectrografía, en 1868, el helio se descubrió en el Sol antes de encontrarlo en La Tierra.
Así, a principios del siglo XX los científicos pudieron afirmar con satisfacción que el universo estaba compuesto de materia y energía. Una materia como la que existe en La Tierra y una energía electromagnética emitida por las estrellas igual que ocurre en el Sol.
Pero en el último cuarto del siglo XX dos grandes sorpresas astronómicas cambiaron el panorama por completo.

• En 1975 las mediciones detalladas de las velocidades de rotación de las galaxias demostraron que debía de haber una materia de naturaleza desconocida para justificar la distribución de velocidades observadas. A esa materia se le denominó materia oscura.
• Posteriormente, en 1998 las mediciones del corrimiento hacia el rojo de las supernovas lejanas tipo Ia llevaron a la sorprendente conclusión de que el universo se expande aceleradamente. Para explicar esta situación los científicos se han visto obligados a introducir la hipótesis de que todo el universo está lleno de una energía desconocida asociada al vacío a la que se ha denominado energía oscura. Se estima que llena todo el espacio con una densidad de 10⁻²⁹ gramos por cm³. (La energía se expresa aquí en gramos porque de acuerdo con la teoría de la relatividad, los conceptos de masa y energía son equivalentes e intercambiables y se relacionan mediante la ecuación E = mc²).

Después de estas dos sorpresas hemos pasado de creer que conocíamos la composición del universo a admitir que sólo sabemos la composición de una ínfima parte de él. De modo que, tal como actualmente se concibe:

• El 26% del universo es materia, que se distribuye así:

• un 4% del total es materia ordinaria tal como la conocemos en La Tierra (aunque la mayoría de ese 4% esta constituyendo el gas intergaláctico).
• un 22% del total es materia oscura.

• El restante 74% del universo es energía oscura.

Juan Rojas