Física de Partículas: ¿De qué estamos hechos nosotros y el universo entero?

¿Cómo es posible que el agua, el vapor y el hielo sean lo mismo? ¿Qué es la luz? ¿Por qué brillan las estrellas? ¿Cuál es el origen y el destino del Universo? La respuesta a cualquier pregunta sobre la naturaleza reside en conocer los “ladrillos” indivisibles de los que todo está hecho.

Seguimos explorando los “ladrillos” del mundo y las leyes que los gobiernan; es decir, las fuerzas que hay entre ellos para que puedan juntarse formando la materia: nosotros, las estrellas, el universo completo.

Las 17 partículas elementales conocidas

Conocerlos es el objetivo de la física de partículas. Estos “ladrillos” son las partículas elementales. El conocido como Modelo Estándar es la teoría que representa hasta ahora la mejor comprensión del mundo subatómico. Es un legado del siglo XX y la base de la tecnología moderna.

A pesar de su extraordinario éxito, la teoría encierra grandes misterios a los que no puede responder. Sin embargo, ésta es la mejor manera que tenemos a día de hoy los físicos teóricos y experimentales de explicar de qué está hecha la materia.

Según este modelo, la “tabla periódica” de las partículas elementales es mucho más sencilla que la de los elementos químicos. En lugar de más de 100 elementos, está formada por tan solo 17: 12 partículas de materia, 4 partículas portadoras de fuerza y una muy especial, el bosón de Higgs.

Las partículas de materia están organizadas en tres familias. La primera familia está compuesta por partículas estables: el electrón, los quarks “up” y “down” que forman los protones y neutrones de los núcleos atómicos, y el neutrino electrónico.

La materia estable que nos rodea está compuesta de partículas estables de la primera familia. Las partículas de la segunda y tercera familia son copias “idénticas” a las de la primera, pero más pesadas e inestables. Se “convierten” rápidamente en partículas de la primera familia y por eso son difíciles de encontrar en la naturaleza.

Los datos experimentales indican que con exactamente 3 familias de partículas describimos toda la materia, pero ¿por qué 3? ¿Es el 3 realmente un número mágico?

Podría existir un universo entero hecho de antimateria

Cada una de estas partículas tiene además su equivalente antipartícula, idéntica pero de carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón de carga eléctrica negativa es el llamado positrón de carga positiva. Se ha logrado crear el átomo más sencillo de anti-Hidrógeno con antipartículas.

Podría así existir un universo entero hecho de antimateria muy similar al nuestro.

Sabemos también que si juntamos materia y antimateria, desaparecen ambas y se convierten en una inmensa cantidad de energía. El proceso inverso también es posible, la energía se puede convertir en cantidades iguales de materia y antimateria. Si esto es lo que ocurrió en el Big Bang, ¿cómo ha sobrevivido solo la materia en el universo?

Las fuerzas que las unen

Para que la materia pueda existir, debe haber fuerzas que junten las partículas de materia. En el mundo subatómico, las fuerzas entre partículas se describen por el intercambio entre ellas de otras partículas: el fotón para la fuerza electromagnética que mantiene unidos los electrones al núcleo de los átomos; los bosones W y Z para la fuerza débil responsable de la radiactividad o de alimentar al sol; y el gluón, el portador de la fuerza fuerte que une a los quarks dentro de los protones y neutrones, permitiendo también que estos se mantengan unidos en el núcleo atómico.

Pero ¿qué pasa con la fuerza de la gravedad? Justo la fuerza con la que estamos más familiarizados no sabemos describirla a estas escalas cuánticas del mundo subatómico. El hipotético gravitón, correspondiente a la fuerza de la gravedad, no se ha encontrado hasta ahora. La gravedad es la más “rebelde” de las cuatro clases de fuerza existentes.

El campo de Higgs dota de masa a las partículas

La última pieza de la “tabla periódica” del Modelo Estándar es el bosón de Higgs. Esta partícula es la excitación cuántica de su campo cuántico, el campo de Higgs. El bosón de Higgs sería lo equivalente a las “ondas” que podemos crear al excitar el “agua” de un estanque, que sería el campo energético, al tirar por ejemplo una piedra.

El campo de Higgs impregna el Universo entero, creando una especie de viscosidad del vacío. Al interaccionar las partículas con este campo, se vuelven más lentas y más pesadas. Si las partículas no interaccionan, no tienen masa, sería el caso de los fotones de la luz.

A mayor fuerza de interacción, más masiva es la partícula. Así es cómo adquieren su masa las partículas elementales.

Esto ocurrió muy pronto, en mucho menos que un segundo después del Big Bang. Antes de ese instante, el campo de Higgs era nulo, las partículas no tenían masa y viajaban a la velocidad de la luz. Todo hubiera sido muy distinto sin esa aparición del campo de Higgs: ni los átomos, ni las galaxias, ni la vida se habrían formado.

Sigue siendo un gran misterio cómo se produjo exactamente esa transición tan crucial para la existencia del universo tal y como lo conocemos. Entre las cosas que no podemos explicar también está cómo los neutrinos adquirieron masa. Según el modelo no deberían tenerla, pero la tienen.

Tan solo conocemos un 5 % del universo

Ahora bien, es importante recalcar que nuestra masa es mucho mayor que la de la suma de todas las partículas elementales que tenemos en nuestro cuerpo, electrones y quarks, que tan solo contribuyen con un 1 %. El resto proviene de la energía que mantiene a los quarks unidos en los protones y neutrones de nuestros átomos.

Vamos aún más allá: si consideramos toda la masa conocida, la nuestra, la de las estrellas, galaxias, etc., ésta tan sólo representa un 5% del Universo, según observaciones astronómicas. El 95 % restante es totalmente desconocido, y es lo que llamamos materia oscura y energía oscura.

Los microscopios más sofisticados del mundo

Para poder dar respuesta a todos los enigmas aún por resolver, necesitamos llevar la tecnología al límite, diseñando y construyendo experimentos muy potentes, que deben procesar y analizar ingentes cantidades de datos.

Los aceleradores de partículas son nuestros microscopios. El más potente del mundo, el de mayor energía, es el acelerador Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que acelera protones a velocidades cercanas a la de la luz, para hacerlos chocar en ciertos puntos, rodeados por gigantescos detectores del tamaño de una gran catedral. Estos “fotografían” con altísima resolución y velocidad las partículas que se producen en cada colisión, proporcionando 40 millones de “fotos” por segundo.

Analizando con exquisito detalle estas “fotos” se descubrió el rastro del bosón de Higgs en los experimentos ATLAS y CMS, un gran hito reconocido con el Premio Nobel de Física de 2013.

El LHC y sus experimentos son ahora más potentes todavía, gracias al trabajo tecnológico realizado en los últimos tres años por físicos e ingenieros. Arrancarán de nuevo este verano para explorar nuevas fronteras del conocimiento, en busca de respuestas a los grandes misterios del universo. Este viaje al conocimiento durará décadas y requerirá la dedicación de miles de científicos de todo el mundo trabajando juntos para descifrar las leyes de la naturaleza.

La resolución de estos enigmas dará lugar a una nueva concepción del mundo, con su consecuente revolución tecnológica, marcando, posiblemente, el inicio de una nueva era para la humanidad.

Maria Jose Costa Mezquita, Investigadora Científica del CSIC - Física Experimental de Partículas, Instituto de Física Corpuscular (IFIC - CSIC - UV)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.