martes, 30 de julio de 2013

LA PARTÍCULA DE DIOS.


PETER HIGGS (DERECHA) Y FRANÇOIS ENGLERT (IZQUIERDA), premios PRINCIPE DE ASTURIAS 2013 DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA, compartido con el CERN (CENTRO EUROPEO DE INVESTIGACIONES NUCLEARES).
    Pero si Rutherford concebía el núcleo del átomo compuesto solamente por protones, de carga positiva, su colega de Cambridge, James Chadwick (que recibió el Premio Nobel), descubrió que el núcleo del átomo estaba compuesto también por otras partículas (los neutrones) de masa similar y sin carga eléctrica; y así, protones y neutrones fueron las partículas elementales que sobrepasaron el concepto de átomo de Demócrito y se decantaron por el concepto de materia de Aristóteles. Ciertamente la ciencia busca nombres y colores para definir sus teorías y teoremas y fue James Joyce, el escritor irlandés, el que daría el bautismo a las partículas más pequeñas hasta entonces conocidas, en una cita acerca de una juerga (lark, según Stephen Hawking; Pork, según Wikipedia ): "Thee quarks for Muster Mark", de "Finnegans Wake" que debería ser quart convirtiéndose en quarks por una licencia poética.

Un neutrón, constituído por 3 quarks: dos down y un up.
 Fue Murray Gell-Mann (premio Nobel 1969) el que adoptó el nombre de quark (ojo, no confundir con la marca de mayonesa diabólica Hellmann´s-hombres del infierno-) después de descubrir que al colisionar protones con protones o con electrones, a alta velocidad, se obtenían partículas más pequeñas: los quarks de Hell-Mann. 


Murray Hell-Mann: Premio Nobel de Física en 1969, acompañado por Ludwig Van Beethoven (al fondo).

   Como no podía ser de otra manera, los físicos debían asignar nombres a las nuevas partículas más elementales aún que los átomos y sus primeros componentes conocidos, y aquí se superaron en imaginación y cierto sentido del humor al mezclar la física con la alta cocina o la enología, asignando "sabores" (flavors) y a cada sabor tres posibles "colores" (verde, rojo y azul). Así se describieron seis sabores básicos: Up (arriba), Down (abajo), Strange (extraño), Charmed (encanto), Bottom (fondo) y Top (cima). Resulta evidente que patículas tan pequeñas no pueden tener color (la longitud de onda de la luz es mucho mayor y no nos permitiría su observación) y menos aún podríamos degustar su sabor. Algo similar ocurrió en biología con el microscopio óptico (solamente podemos contemplar estructuras hasta los 1000 aumentos, y en inclusión de la lente en gota de aceite) y el microscopio electrónico (que por la diminuta longitud de onda que genera el chorro de electrones nos permite ampliar la materia hasta un millón de aumentos).
Glóbulos rojos y glóbulo blanco (microscopio electrónico x15000)

Bacteriófago T4 (microscopía electrónica).
       






  Pues bien, al igual que los biólogos, los histólogos y los anatomopatólogos, que estudian la ultraestructura de los tejidos vivos y los microorganismos, los físicos necesitaban una "fuente de luz" con una longitud de onda más pequeña para poder "ver" los átomos y las partículas que los componen y por ello, basándose en la física cuántica según la cual las partículas son en realidad ondas, y cuanta mayor energía tenga una partícula menor longitud de onda tendrá, la solución estaría en dotar a la partícula de más energía acelerándola; pero ¿cómo?.



Tubo de rayos catódicos utilizado por J.J Thomson.

En el S. XIX Thomson utilizó campos eléctricos de alto voltaje (unos 10000 voltios) para acelerar aquellas partículas (electrones) que se generaban por la incandescencia de un filamento metálico en el interior de un tubo de vacío y eran atraídas hacia el polo positivo (la cruz en el interior del tubo) o ánodo, estrellándose en la pantalla fuorescente después de generarse en el polo negativo o cátodo, por lo que fueron denominados rayos catódicos. Desde entonces la energía que porta una partícula se mide en Electrones-Voltio, siendo un electrón-voltio la energía que le transmite a la partícula un campo eléctrico de un voltio. En los experimentos de Thomson (con distintos tubos logró demostrar que el electrón tenía carga negativa y masa) se lograban solamente unos pocos electrón-voltio de energía, que más tarde se ampliarían en los experimentos de Rutherford con partículas alfa, obtenidas del Polonio (un elemento radiactivo) a millones de electrón-voltios.
 Ya en el S. XX empezaron a utilizarse campos electromagnéticos para dotar a las partículas elementales de mayor enegía y poder estrellarlas sobre pantallas (inicialmente se utilizaron placas fotográficas), logrando con ello una disección del "cadáver" y poder estudiar su "anatomía", tras lograr miles de millones de electrón-voltios de energía: en el siglo pasado nacieron los Aceleradores de partículas que, utilizando campos electromagnéticos pulsantes y basados en la famosa ecuación de la Relatividad de Einstein (E= mc2), la equivalencia entre la masa y la energía (los más morbosos podrán consultar dicha teoría sin moverse de este blog), logran acelerar las partículas a velocidades próximas a la de la luz (C) con el consiguiente aumento de masa; algo así como la técnica de PCR utilizada en biología/medicina para buscar "la aguja en un pajar" mediante la replicación del ADN que se pretende encontrar. En esa centuria se crearon dos grandes laboratorios de aceleración de partículas con el fin de estudiar la teoría eletrodébil unificada de Steven Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam, que emparentaron la fuerza débil y la electromagnética.


El FERMILAB, en Illinois, cerca de Chicago.


EL CERN, más cochambroso, en la frontera FRANCO-SUIZA.
   Ambos laboratorios de partículas iniciaron su labor científica como aceleradores de protones por ser partículas con carga eléctrica pero mayor masa que los electrones (que aunque proporcionan unos resultados más limpios resultan menos eficaces que los protones por su menor masa). El FERMILAB se llamó así en honor al físico italiano Enrico Fermi y fue diseñado por el físico y artista Robert Wilson, que lo concibió como una "obra de arte"; por el contrario, el CERN fue desde un principio mas funcional y sin pretensiones estéticas, pero en la última reforma (el túnel de 27 Km de longitud-LHC-frente a los 5 Km del FERMILAB) ha llegado a ser el acelerador más potente del mundo ( España es miembro colaborador en recursos económicos, técnicos y humanos)  y pretende ampliarse a 35 Km de longitud con un diseño lineal; aún no se sabe su ubicación pero Japón ha dado facilidades para que se instale en su suelo.



 Todo lo que hay en el universo se puede concebir, según la mecánica cuántica y su dualidad onda-partícula, como un conjunto de partículas; partículas que tienen una propiedad característica de cada grupo, que las define: El Espín (del inglés SPIN: vuelta, revolución). El problema de las partículas elementales es que, según la mecánica cuántica, no tienen un eje de rotación definido y no podríamos, por tanto, describir su giro como sí podemos hacerlo con una rueda o cualquier figura geométrica sobre sus distintos ejes. En realidad el espín nos dice cómo se muestra una partícula desde distintas direcciones, y en ese sentido se han postulado distintos espines:
 Espín 0: La partícula es como un punto y se ve igual desde todas las direcciones.
 Espín 1: La partícula es como un vector y se ve distinta según la dirección. al girarla 365º volvería a ser la misma.
 Espín 2: La partícula es como un doble vector (<------>) y habría que girarla media vuelta (180º) para volver a tener el mismo aspecto inicial.
 Las partículas que tienen espines 0, 1 y 2, se denominan BOSONES y son las portadoras de la fuerza. Bosones son, por ejemplo, los Fotones y las partículas W y Z, portadoras respectivamente de la fuerza electromagnética y la fuerza eletrodébil (la que emiten los elementos radiactivos). Los FERMIONES (en honor al físico italiano Enrico Fermi) son partículas de espín semientero y que, al contrario que los bosones, obedecen al principio de exclusión de Pauli, según el cual no pueden existir dos fermiones en un mismo átomo en el mismo estado cuántico. Los electrones, que son fermiones, quedan limitados en número para ocupar una capa electrónica del átomo considerado.



Las partículas elementales

  Como podrán deducir a estas alturas del comentario, no estamos hablando de física clásica y sí de física/mecánica cuántica, basada en el principio de los cuanta de Max Planck y el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg: la energía se transmite en "paquetes o pulsos" y no de forma continua (Planck) y nunca podremos saber con exactitud el estado de un sistema o partícula porque para ello deberemos interferir en la partícula o sistema para medir su velocidad y su trayectoria, alterando la propiedad que se pretende medir. A nivel macroscópico, por ejemplo, si pretendemos medir la temperatura de un líquido introduciendo un termómetro obtendremos una lectura de la temperatura mínimamente falsa: el termómetro está a distinta temperatura que el líquido y ambos equilibran sus temperaturas dando una lectura imperceptiblemente incorrecta, pero válida a esta escala.