¿De qué están hechas la cosas? La respuesta a esta pregunta ha cambiado mucho a lo largo de la historia. En la antigüedad clásica se respondería diciendo que las cosas están hechas de una combinación de los elementos naturales aire, tierra, fuego y agua. Hasta hace relativamente poco tiempo la respuesta era: de átomos. De átomos hay muchísimos, la tabla periódica es muy difícil de aprender porqué es muy larga. Por suerte, a principios del siglo XX se descubrió que los átomos están formados por partículas más sencillas y por lo tanto todo se puede simplificar mucho más. Cada átomo está formado por combinaciones de tres partículas: protones, neutrones y electrones. Agregando o quitando protones, neutrones y electrones podemos obtener cualquier elemento de la tabla periódica. Por lo tanto podríamos decir que todas las cosas están hechas de protones, neutrones y electrones. ¡Que sencillo y bonito!

La felicidad duró hasta medianos del siglo XX cuando los físicos detectaron partículas diferentes a las conocidas provenientes del espacio exterior. Había tantas partículas nuevas, todas con sus distintas propiedades, que los físicos hablaban coloquialmente de un verdadero zoo de partículas. Los físicos no están a gusto con este tipo de situaciones, necesitan simplicidad y orden. Algo que ayude a entender todo este lío de partículas.

Los primeros pasos hacia la simplificación del zoo de partículas tuvieron lugar a principios de los 60 cuando los físicos George Zweig y Murray Gell-Man independientemente propusieron que las partículas observadas no eran fundamentales sino compuestas por unas partículas llamadas quarks. En 1968 se confirmó la existencia de los quarks mediante su observación experimental en el National Acelerador Laboratory (SLAC) en California, Estados Unidos. Éste descubrimiento contribuye a simplificar el zoo de partículas reduciendo el número de partículas elementales a 6 quarks distintos;  Up, Down, Charm, Strange, Top y Bottom.

Sin embargo hay una partícula bien conocida, que no parecía estar formada por combinaciones de quarks, el electrón. Así, se clasificó en otro grupo de partículas elementales constituyentes de la materia, los leptones. En 1897 J. J. Thompson aun sin saberlo, identificó por primera vez en la historia un leptón, el electrón. Más tarde, en los años 30, analizando procesos de  desintegración radioactiva, Wolfang Pauli postuló teóricamente la existencia de otro tipo de leptón, el neutrino electrón, que posteriormente fue detectado en experimentos. Actualmente sabemos que existen 6 tipos de leptones, todos ellos han sido detectados experimentalmente. El electrón, el muón y el tauón con carga eléctrica -1; y sus primos menos masivos, el neutrino electrón, neutrino muón y neutrino tauón sin carga eléctrica.

Primera observación de un neutrino en 1970

Como consecuencia de éste estudio se gestó la construcción del Modelo Estándar de partículas. Una teoría que describe las partículas elementales que constituyen la materia y sus interacciones.  Ésta teoría dice que la materia esta constituida por Quarks y Leptones, a si que, ya tenemos una respuesta a la pregunta que nos hemos hecho al inicio. Pero sabemos que las partículas tienen propiedades como, por ejemplo, la carga eléctrica con la que interactúan con otras partículas ejerciéndose fuerzas. Precisamente por eso, el modelo estándar no se limita a describir las partículas que constituyen la materia, sino que también describe las interacciones fundamentales entre ellas.

Todas la fuerzas que podemos experimentar en nuestro día a día son una consecuencia de las fuerzas fundamentales que están explicadas en el modelo estándar. Bueno, todas menos la gravedad… Con ésta fuerza los físicos tienen un problema de peso! 😉 

En el modelo estándar las partículas interactúan intercambiando unas partículas mensajeras llamadas bosones. Cada interacción tiene sus bosones, es decir, partículas mensajeras de la interacción. Sin tener el cuenta la gravedad, existen tres fuerzas fundamentales. 

La fuerza electromagnética es la fuerza que hace que las partículas con carga eléctrica interactúen, como los electrones. Cuando dos partículas cargadas se atraen o se repelen, se estas intercambiando fotones, que son les bosones mensajeros de la interacción electromagnética. Ésta fuerza es la responsable de todos los fenómenos eléctricos y magnéticos, gobierna las interacciones entre moléculas, es decir, todas las reacciones químicas. También es responsable de las ondas electromagnéticas, sin las cuales no tendríamos microondas, radio, aparato de wi-fi, radiador, radiografías en el hospital ni, por supuesto, luz!  

La fuerza nuclear débil hace interactuar a todas las partículas constituyentes de la materia, es decir, los quarks y los leptones. Las partículas mensajeras de ésta interacción son los bosones débiles W y Z. En intercambiarse estos bosones, las partículas cambian de sabor. El sabor no tiene nada que ver con el sentido del gusto, es una propiedad que tienen las partículas elementales que hace referencia al tipo de partícula que son. Hay 6 quarks de sabores distintos y 6 leptones de sabores distintos. Ésta propiedad es poco familiar porque no podemos experimentarla en nuestro día a día. Sin embargo, la fuerza nuclear débil es la responsable de la desintegración radioactiva de átomos como por ejemplo el carbono 14, muy útil para la datación de restos orgánicos antiguos.

La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene los protones unidos en el núcleo del átomo. O, ¿cómo pensabais que los protones con cargas eléctricas positivas podían convivir dentro de un espacio tan pequeño? ¡Sin la fuerza nuclear fuerte los átomos no existirían! Ésta fuerza únicamente afecta a las partículas que tiene carga de color, es decir a los quarks. La carga de color no debe ser entendida como algo visual como son los colores reales, sino que debe ser entendida como una propiedad similar a la carga eléctrica. A diferencia de la carga eléctrica, que sólo pude ser positiva o negativa, la carga de color puede ser de tres tipos: roja, verde y azul. Cuando dos quarks interactúan cambian de color mediante el intercambio de unos bosones llamados gluones. Éste nombre viene del inglés “glue” que significa pegamento, como metáfora de cómo esta fuerza es capaz de enganchar los protones y neutrones dentro de el núcleo atómico.

El modelo estándar es la teoría más precisa de la que dispone la ciencia hoy en día. Todas la predicciones hechas con ésta teoría se han ido comprobando experimentalmente con precisión. El último gran hallazgo se tuvo lugar en 2012 cuando se detectó el Bosón de Higgs en el acelerador de partículas de Ginebra, LHC. Ésta partícula fue propuesta teóricamente el año 1964 por Peter Higgs, François Englert y otros cuatro investigadores, para tratar de explicar el origen de la masa de unas determinadas partículas elementales. Tras su detección en el LHC, se concedió el premio Nobel de física del año 2013 a Higgs y Englert por haber propuesto la existencia de éste bosón.

En la actualidad, responder a la pregunta ¿de qué están hechas la cosas? no solo implica fijarse en las partículas elementales que constituyen la materia, sino también en las fuerzas que hacen interactuar la materia. Éstas interacciones son las que gobiernan los procesos física mas elementales y determinan como se organiza la materia des de la escala mas profunda.

La historia nos enseña a no ser pretenciosos con las ideas que tenemos, así como, gracias a las evidencias, hemos tenido que abandonar la idea de los cuatro elementos naturales propuesta por los filósofos clásicos o la idea de los átomos de la tabla periódica como constituyentes elementales de la materia, hoy deberíamos responder la pregunta inicial con cierta prudencia. Las cosas están hechas de quarks, leptones y bosones mensajeros. De momento…

Si éres una persona más visual, te interesará ver ésto: https://www.youtube.com/watch?v=kO8I0THwwUM

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