El modelo estándar

Si te preguntan ¿Cómo es que estamos formados?, muy probablemente tu respuesta será “de átomos”, y aun que esta es una respuesta correcta, lo es parcialmente para describir lo que le da forma a todas las cosas que conocemos. El modelo estándar es el que describe en detalle cómo está constituida la materia.

El modelo atómico

Cómo está formada la materia en general es un conocimiento que obtenemos en nuestros años escolares, donde nos enseñan que todo lo que nos rodea, así como nosotros mismos, estamos formados de átomos; siendo el átomo el componente fundamental de la materia. Mas para poder llegar al modelo del átomo que conocemos fueron necesarios una serie de descubrimientos y modelos previos de cómo estaba constituido, iniciando con el modelo que J. J. Thomson propuso en 1904, considerando que el átomo estaba formado de electrones (que él descubrió en 1897), flotando en una “sopa o pudin” de carga positiva para balancear la carga negativa del electrón. Modelo que después fue redefinido por Ernest Rutherford en 1911, cuando después de sus descubrimientos experimentales propuso que el átomo está formado por de un núcleo muy pequeño y masivo, rodeado de electrones que lo orbitan. Modelo que nuevamente fue perfeccionado por Niels Bohr en 1913, donde, siguiendo un modelo cuántico, estableció el modelo del átomo como lo conocemos ahora, con sus electrones circulando alrededor del núcleo en orbitas específicas restringidas por reglas cuánticas. Mas este modelo aun cuando era muy convincente, presentaba algunas contradicciones, como el hecho de tener un ajustado cumulo de protones con carga positiva, que deberían repelerse entre sí. Finalmente, en 1932 esto fue resuelto con el descubrimiento del Neutrón logrado por James Chadwick, siendo este una parte constituyente del núcleo atómico, una partícula sin carga eléctrica o neutro, por ello su nombre.

Historia del átomo (compoundchem.org)

Este modelo con el que estamos familiarizados, modelo que asemeja a un sistema planetario, con un núcleo formado de Neutrones y Protones, y con una serie de electrones orbitando a su alrededor en órbitas específicas, es bastante aproximado a lo que realmente sucede en el átomo. Con este modelo, dependiendo del número de protones, neutrones y electrones, el átomo obtiene una serie de propiedades específicas (que son apropiadamente descritas en la tabla periódica de los elementos). Es la combinación de diferentes átomos o elementos, lo que crea la diversidad de compuestos que forman todo lo que nos rodea, desde las moléculas en nuestro cuerpo hasta las galaxias y estrellas que vemos en el firmamento.

Física de partículas

Aun después de tener un modelo atómico, nuevas investigaciones hicieron evidente que probablemente estos no eran los componentes fundamentales de la materia. Con los trabajos de Paul Dirac un fenomenal físico teórico, quien hizo la primera asociación de la mecánica cuántica y la relatividad especial y entre sus resultados, predijo la existencia de antimateria (como el caso de los positrones, con las mismas propiedades del electrón pero con carga positiva); esto seguido a inicios de los años 40’s, de los diferentes experimentos con los nuevos Cyclotrones, los primeros aceleradores de partículas que mas tarde, a inicios de los años 50’s, dieron origen a la llamada “explosión de partículas”, época de un a gran proliferación de descubrimiento de nuevas subpartículas, lo que hizo cuestionar si los componentes del átomo eran realmente fundamentales. Mas después de estudiar y formular un modelo matemático de las propiedades de estas nuevas subpartículas, los físicos comenzaron a identificar patrones en las mismas, identificando nuevos grupos como los leptones, bariones y hadrones.

El nuevo modelo

Fue ya en los años 60’s cuando se propuso un nuevo modelo de física de partículas, denominado “Modelo estándar”, donde la materia se constituía por “Fermiones” (termino definido por Pul Dirac, basado en el nombre del físico Italiano Enrico Fermi), que eran las partículas que siguen las “propiedades estadísticas Fermi-Dirac”, que son las que forman toda la materia que conocemos, incluyendo los protones y neutrones (formados de quarks), y los electrones (parte del grupo de fermiones denominados “Leptones”.

También se identificó que los Fermiones se presentan en tres grupos, con diferentes niveles de energía; los de la materia ordinaria, los cuales forman los átomos que todos conocemos y apreciamos, seguidos por la materia exótica, con niveles de energía mayor, y la materia extremadamente exótica, con niveles de energía aún mayores; aunque estos tipos de fermiones “exóticos” solo han sido observados de forma experimental, y no se detectan en la naturaleza.

Los Quarks, las partículas propuestas en 1964 por Murray Gell-Mann y George Zweig en su llamado modelo de Quarks, que son componentes de los bariones, formados por tres quarks, y que son parte del grupo de hadrones.

El nombre de quarks, elegido por Gell-Mann, se basa en un pasaje del libro “Finnegans Wake“, de James Joyce:

Three quarks for Muster Mark! Sure, he hasn’t got much of a bark…
Algo como “Tres hurras para Mister Mark!” pero tomando algunas licencias literarias.

Consideró este pasaje debido al hecho de que los quarks siempre se mantienen en grupos de tres; estos tienen una característica muy interesante, que es el tener carga eléctrica parcial.

El átomo y la materia ordinaria

Para ejemplificar como se constituyen los átomos que nos forman, sabemos que estos tienen tienen protones y neutrones en su núcleo, los cuales son parte de los Fermiones de baja energía y están formados por tres Quarks denominados “Up” de carga +2/3 y “Down” con carga de -1/3. El protón esta formado por dos quarks “Up” y un “Down” con carga final de +1 (+4/3 & -1/3), y los neutrones formados por dos quarks “Down” y un “Up”, y carga neutra resultante (-2/3 & +2/3), ambas formando parte del núcleo del átomo. Tenemos también los electrones, que son leptones de baja energía y que, como comentamos, son los que circulan alrededor del núcleo, y finalmente el electrón-neutrino, este es otro tipo de leptón que no tiene carga eléctrica y que actúa en los procesos de decaimiento radioactivo (o decaimiento beta), parte complementaria de la fisión nuclear y parte del efecto de decaimiento del Neutrón en Protón, el cual libera un electrón y un electrón-neutrino, este decaimiento ocurre solo en neutrones libres, con un tiempo de decaimiento promedio de quince minutos, los neutrones en el núcleo de un átomo se mantienen estables por millones de años.

Decaimiento beta (nuclear-power.net)

De igual forma, para la materia exótica de alta energía se tienen los quarks “Strange” (+2/3), y “Charm” (-1/3), el Muon (equivalente al electrón), y su correspondiente Muon-neutrino. Y para la materia extremadamente exótica, de muy alta energía se tienen los quarks “Top” (+2/3), y “Bottom” (-1/3), así como el Tau y su correspondiente Tau-neutrino.

La fuerza y sus partículas

Pero para describir completamente la imagen de como se forma todo lo que nos rodea no podemos descartar las fuerzas que actúan en la materia, tres de las cuales están descritas en el mencionado modelo estándar. Cada fuerza tiene también asociada una partícula que la transmite. Estas partículas se denominan “Bosones” y son los que interactúan con los Fermiones (las mencionadas partículas de la materia) y obedecen las “propiedades estadísticas Bose-Einstein”. Estas partículas forman los “Campos” donde estas fuerzas actúan (como el campo electromagnético)

Como vimos en “Que las fuerzas te acompañen”, hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza:
– La fuerza electromagnética y su bosón asociado, el “fotón”, que es una partícula sin masa y actúa a gran distancia.
– La fuerza nuclear fuerte, ejercida por el “gluon”, la cual mantiene unidos a los quarks en protones y neutrones y actúa solo en muy corta distancia, tal como la del núcleo del átomo.
– La fuerza nuclear débil, ejercida por los bosones intermedios (W & Z); que tienen masa y son los que actúan en el decaimiento radioactivo, también actuando a muy corta distancia.

Y finalmente la fuerza responsable de la masa en todas las partículas, el Bosón Higgs, partícula cuya existencia fue confirmada experimentalmente por los experimentos Atlas y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en 2012, experimentos operado por el CERN en Suiza. Y es la partícula que controla el mecanismo de Higgs, que genera la masa.

Modelo estandar (physik.uzh.ch)

Problemas con el modelo

Aun cuando este modelo es el que mejor describe como funciona la naturaleza, hay aun preguntas que siguen sin respuesta; por ejemplo, la ausencia de la fuerza de gravedad, la cual no es parte del modelo estándar, pero que obviamente sabemos que está presente y la experimentamos de forma cotidiana. La unificación de fuerzas, la “teoría del todo” o “teoría unificada” es una de las líneas de mayor investigación en la Física moderna y la cual tiene ya candidatos que pueden resolver este problema, como la supersimetría de partículas, y la inclusión del Gravitón, el bosón que de acuerdo a esta teoría, transportaría la fuerza de gravedad.

Uno de las mayores dificultades con la gravedad es lo débil que es esta fuerza; la fuerza electromagnética es 36 órdenes de magnitud (esto es, “un uno seguido de 36 ceros”), más fuerte que la de gravedad. Mientras que la fuerza nuclear fuerte es solo 140 veces mas fuerte que la fuerza electromagnética. La gravedad, al igual que la fuerza electromagnética actúa a gran distancia.

Para comparar la abismal diferencia entre los números de la fuerza electromagnética y la de gravedad, haciendo una comparación con el tamaño del universo observable, que se considera de 46.5 mil-millones de años-luz en cualquier dirección, esto nos da un diámetro del universo de aproximadamente 93 mil-millones de años-luz, que convertidos a kilómetros es de 8.8 x 10²³ kilómetros, o 8.8 seguido de 23 ceros, número que es aún un billón de veces menor que el de la diferencia entre las fuerzas de gravedad y electromagnetismo. Hoy en día la supersimetría de partículas es aún una teoría audaz que tiene muchos detractores, y que es muy difícil de probar dado este problema con la diferencia de la fuerza de gravedad, lo cual complica probar experimentalmente su integración en el modelo estándar. Mas ciertamente la búsqueda de respuestas continúa.

Saludos, Alex – ScienceKindle.