La ordenación del zoológico atómico mediante la postulación de los quarks de Murray Gell-Mann. El modelo estándar de las partículas. La unificación de electromagnetismo y las interacciones “fuerte” y “débil”. Máseres y láseres. Un éxito diferido de Einstein. Noción general de holografía.
En la época del surgimiento de los Beatles, la difusión de la ideología hippie, la presidencia y muerte de Kennedy, el Concilio Ecuménico; en la muy especial década de los sesenta, la Física, especialmente la física de partículas, estuvo muy activa, y su logro principal estuvo en el ordenamiento del zoológico de las partículas subatómicas, que después de un breve remanso de simplicidad inicial, se nutrió rápidamente con más de doscientas instancias diferentes. El protón, el antiprotón, el electrón, el antielectrón (positrón), el neutrón, el antineutrón, el fotón, el mesón Pi (pión, en sus varios tipos), el mesón K (kaón, también de diversos tipos), los diferentes tipos de neutrinos, los hiperones, la partícula Lambda, etcétera, dejaban rastros numerosos en las placas fotográficas de las cámaras de burbuja de los aceleradores de partículas en el mundo. Esta situación motivó esfuerzos por clasificar, primero, y luego explicar la variedad.
El héroe indiscutido de este emprendimiento es Murray Gell-Mann[1] (Premio Nóbel de Física de 1969), un niño prodigio con gran sentido del humor y una memoria fotográfica, que postuló primero—independientemente también Yuval Ne’eman—el camino óctuple como esquema de clasificación y poco después la hipótesis de los quarks que hoy forma el núcleo del Modelo Estándar de la física de partículas.
Antes del trabajo de Gell-Mann había sido posible distinguir entre dos familias de partículas: unas que se comportaban con arreglo a la “estadística de Fermi-Dirac”, los llamados fermiones; otras cuya distribución energética sigue las reglas de la “estadística de Bose-Einstein”, o bosones[2]. Los fermiones siguen el llamado “principio de exclusión de Pauli”: sólo una partícula puede ocupar un cierto “estado cuántico” en un momento dado. (No puede haber dos fermiones con el mismo conjunto de “números cuánticos”. Un número cuántico describe las energías de las partículas en un átomo. Para un electrón, por ejemplo, se considera el número cuántico principal, el número cuántico azimutal, el número cuántico magnético y el espín, o número cuántico de momento angular). El protón, el neutrón, el electrón, son todos fermiones, con espín 1/2; el fotón es un caso de bosón, con espín 1.
El estudio por Gell-Mann de una clase de partículas conocidas como hiperones (y también los kaones) llevó a formular la existencia de una nueva cualidad cuántica, cuyo nombre ya mostraba la tendencia poético-humorística de los físicos de la época: extrañeza. (Strangeness). La clasificación de estas partículas se entendía mejor si se les atribuía una propiedad, la extrañeza, que se conservaba en ciertas interacciones. (Los kaones y ciertos hiperones siempre son creados en pares, lo que sugería que esa propiedad estaba sujeta a una ley de conservación o simetría, como en el caso de la ley de la conservación de la energía).
Ya para ese momento la Física lograba distinguir tres clases de “fuerzas” (interacciones) en el seno del átomo. (Donde la cuarta interacción fundamental, la gravitación, no toma parte). Éstas eran la interacción electro-magnética (unificación de Maxwell de las interacciones antaño consideradas independientes: electricidad y magnetismo), responsable básicamente de la atracción entre los protones del núcleo atómico y su corona de electrones; la interacción “fuerte”, a la que se debe la atracción entre los nucleones (partículas que forman el núcleo, como los protones y neutrones); la interacción “débil”, causante del fenómeno conocido como radiación o decaimiento “beta”. (Emisión de electrones o partículas beta desde el interior de un átomo).
Adicionalmente, según la masa de las partículas, se las consideraba fundamentalmente de tres tipos: bariones (pesadas, como el protón o el neutrón), leptones (livianas, como el electrón), y mesones (de masa intermedia, como el pión y el kaón). Los bariones, por su parte, son fermiones, así como el electrón (y también el muón y la partícula Tau, ambos leptones como el electrón) mientras que los mesones son bosones. Finalmente, se tiene por hadrones a las partículas que, como el protón y el neutrón, experimentan la interacción fuerte.
Hasta allí la posibilidad de taxonomía antes de los trabajos de Gell-Mann, pero lo taxonómico no es, por supuesto, una explicación. Antes de que la explicación fuera posible había que añadir estructura a la clasificación, la que vino proporcionada por el esquema de camino óctuple.
Agrupando las partículas según su carga eléctrica y su espín, Gell-Mann logró obtener dos organizaciones en octetos para mesones y bariones (de espín 1/2), y asimismo un decuplet (diez partículas) de bariones más masivos (con espín 3/2). (Partículas delta, partículas sigma, etcétera). El vértice de esta decena correspondía una partícula no detectada hasta entonces. Gell-Mann pronosticó (1962) que tendría una masa de 1.680 eV/c2, carga eléctrica unitaria negativa y un número cuántico de extrañeza de –3, y propuso el nombre de omega-menos para la partícula predicha. Dos años más tarde un acelerador en Brookhaven lograba identificar una partícula con esas características, lo que dio gran credibilidad al esquema del camino óctuple[3] de Gell-Mann y Ne’eman.
El siguiente paso consistió en la formulación de una hipótesis revolucionaria, pues postulaba una estructura interna de los bariones como el protón y el neutrón, y de los mesones; es decir, éstas no serían partículas verdaderamente elementales. Más abajo estarían los quarks[4] ¡que tendrían carga eléctrica fraccionaria![5]
El “Modelo Estándar” surgido de la hipótesis de la existencia de quarks[6] ha logrado simplificar de nuevo el mundo de las partículas subatómicas. Para esto los agrupa en tres “generaciones” de partículas: la primera generación se compone de los quarks “arriba” (up o u) y “abajo” (down o d), el electrón y el neutrino del electrón. Con esta generación se forma toda la materia ordinaria: los bariones se componen de tres quarks y los mesones de un quark y un antiquark.
El quark u tiene una carga eléctrica de 2/3; el quark d una de –1/3. Esto permite concebir un protón como formado por dos quarks u y un quark d. (La suma de las cargas es 2/3 + 2/3 – 1/3 = 4/3 – 1/3 = 3/3 = 1). El neutrón estaría formado por un quark u y dos quarks d. (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0) y por eso no posee carga eléctrica. Los quarks son en sí mismos fermiones; es decir, su espín es 1/2 o –1/2.
En cambio, el mesón K+ se compone de un quark u y un antiquark d. Como los antiquarks ostentan números cuánticos inversos, el antiquark d tiene carga eléctrica = -(-1/3) = 1/3. Por tal razón el mesón tiene K+ carga eléctrica positiva unitaria. (2/3 + 1/3).
De la misma manera se obtiene la composición de todos los hadrones ordinarios. (Partículas afectadas por la interacción fuerte). Otras partículas requieren la intervención de las dos restantes generaciones de partículas, que a su vez incluyen cada una dos quarks (y sus respectivos antiquarks) distintos de u y d. Estos otros quarks son “encanto” (charm) y “extraño” (strange), y la pareja formada por “fondo” (bottom) y “cima” (top).
La teoría del Modelo Estándar es lo que se conoce como una “teoría de calibración”. (Gauge theory). En esencia requiere la noción de “partículas virtuales” que, intercambiadas por las partículas “normales”, equivalen o dan origen a una fuerza atractiva. Estas partículas son los siguientes bosones : el fotón, la partícula W – , la partícula W + y la partícula Z0. Éstos son los bosones de la interacción electromagnética (el fotón) y la interacción débil. (Los restantes). La interacción fuerte requiere un bosón diferente, al que se llama gluón.
Así como Maxwell fue capaz de unificar electricidad y magnetismo en una sola fuerza o interacción, las interacciones electromagnética y débil fueron unificadas en los trabajos de Sheldon Glashow, el pakistaní Abdus Salam[7] y Steven Weinberg, que compartieron el Premio Nóbel de Física en 1979 por este logro. Según la teoría “electro-débil”, a energías de 100 GeV o superiores ambas interacciones se funden en una sola. Tanto esta teoría como la “electrodinámica cuántica” (la que explica las interacciones electromagnéticas a nivel subatómico) son compatibles con la teoría especial de la relatividad. Asimismo, las teorías de “gran unificación” (GUTs) han tenido éxito en unificar la teoría de la interacción fuerte—“cromodinámica cuántica”, (el “color” es una propiedad de los quarks)—y la electro-débil.
Sólo una de las cuatro interacciones fundamentales, la gravitación, falta por unificarse. Como se observó, las unificaciones han tenido éxito en la compatibilización de la física cuántica y la teoría especial de la relatividad, pero todavía no hay una “teoría cuántica de la gravitación”. Nadie ha observado los “gravitones”, la partícula teórica que mediaría la fuerza de gravedad, como el fotón lo hace con la fuerza electromagnética. A los esfuerzos en esta dirección se les conoce como TOEs (Theories Of Everything). Es lo que buscó Einstein hasta el fin de sus días con su “teoría del campo unificado” y Heisenberg con su “ecuación universal” de la Física. Hoy en día, la llamada “teoría de cuerdas” (String Theory) es la más fuerte candidata a lograr la unificación final, pero a costa de suposiciones que parecen haladas por los cabellos. (Por ejemplo, requiriendo diez u once dimensiones espacio-temporales, en lugar de las cuatro del continuo-espacio tiempo de la relatividad).
De hecho, la simplificación del zoológico de las partículas subatómicas y las interacciones entre ellas ha requerido la aplicación de estructuras matemáticas cada vez más complejas. (Esto solo habría hecho sospechar a Einstein, quien solía decir que Dios era refinado pero no malicioso. Raffiniert ist der Herr Gott aber boschaft ist Er nicht). Las estructuras de esta física de partículas corresponden a la llamada “Teoría de Grupos”—un grupo es un conjunto de números y la definición de una operación matemática que se les aplica—y sirven, sin duda, como malla conceptual lanzada sobre la realidad. Usualmente definen una “simetría” que se conserva en las distintas interacciones.
Una característica particularmente incómoda del Modelo Estándar es su requerimiento de que los quarks estarán siempre en confinamiento. Esto es, que no podrían ser observados aisladamente, pues estarían confinados al interior de los hadrones. Filosóficamente hablando, esto es una fea mancha de la teoría, pues postula un inobservable, postula entidades que jamás podrían ser observadas. Una cosa tal sería rechazada frontalmente por el más positivista de los físicos, Ernst Mach, y por su discípulo, Albert Einstein.
Además de estas dos debilidades—la ausencia de conexión con la gravitación relativista y el inobservable del confinamiento—el Modelo Estándar, desarrollado entre 1970 y 1973, ha entrado en problemas por sus predicciones relativas a la masa de los neutrinos. El modelo predice una masa nula para estas partículas, y recientes experimentos (1998) parecen indicar que aunque esta masa es pequeñísima, no es realmente cero. Hay además, algunas lagunas en la compatibilización del modelo con observaciones de nivel cosmológico.
A pesar de estos inconvenientes, el Modelo Estándar ha sido extraordinariamente exitoso, al predecir con gran precisión partículas no detectadas antes y sus características fundamentales. Por poner un caso, el modelo predijo la existencia del bosón Z, adjudicándole una masa de 91,1874 GeV; la masa observada de esta partícula ha resultado ser de 91,1876 GeV. Se ha pretendido subsanar algunos de estos y otros inconvenientes a través de teorías que han traído más problemas que soluciones. Por ejemplo, mediante la postulación de que los quarks tampoco serían partículas fundamentales, sino que a su vez estarían formados por partículas, los preones, todavía menores. And the beat goes on.
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En el reino de lo tecnológico, por otra parte, la misma década de los sesenta asistía a la irrupción de un invento que hoy en día es para nosotros familiar y cotidiano: el rayo láser. El primero de ellos fue demostrado justamente en 1960, por Theodore Maiman, sobre trabajos de Charles Townes y Arthur Schawlow. El láser, y el máser que lo precediera, hacen uso de un fenómeno anticipado por Einstein en 1916.
Los términos láser y máser son acrónimos: este último viene de la contracción de Microwave Amplification by Stimulated Emisión of Radiation; láser, en cambio, nos habla de Light Amplification.
Cuando un electrón en la corona de un núcleo atómico da un salto cuántico desde un nivel más energético a uno de menor energía, emite un fotón que porta exactamente la energía correspondiente a la diferencia entre los niveles. Esta emisión puede ser espontánea, pero cuando es estimulada por incidencia de fotones sobre el material en cuestión se habla de emisión estimulada. (También puede absorberse un fotón para llevar a un electrón desde un nivel inferior de energía a uno superior).
En el caso de la emisión estimulada al fotón incidente se añade el segundo fotón emitido, por lo que el fenómeno se multiplica, en forma análoga a la de una reacción en cadena; la radiación incidente es “amplificada”. La propiedad más importante de la emisión estimulada, sin embargo, es que el fotón emitido tiene exactamente la misma frecuencia del fotón incidente y está en fase con él: esto es, las crestas y valles de sus ondulaciones coinciden exactamente. Por esta razón un rayo láser es monocromático (luz de una sola frecuencia), y además es coherente (ondas en fase). La exactitud de un máser, por ejemplo, es la particularidad que permite su empleo como “relojes atómicos”. (A estos fines se utiliza preferentemente el máser de hidrógeno).
El mecanismo básico del láser es exactamente el mismo del máser. Un láser produce radiación de mayor frecuencia (desde el infrarrojo hasta el segmento electromagnético de los rayos X). Por tal razón ha generado un mayor número de aplicaciones, desde la cirugía ocular hasta la excitación para fines de observación de átomos de sodio en la atmósfera, pasando por la tecnología de los discos compactos y los DVDs.
Una de las tecnologías potenciadas por el láser es la de la holografía, o producción de hologramas, fotografías que son capaces de reproducir la tridimensionalidad del objeto fotografiado. En la fotografía convencional, la placa o película registran sólo la intensidad de la luz (la amplitud de la onda) y su color (la frecuencia). Un tercer aspecto, que permite almacenar la información volumétrica, es la fase de las ondas luminosas. Con luz coherente del tipo láser, el choque y reflexión de superficies en planos distintos generará desfase en el rayo originalmente coherente. La descodificación de esta información con un rayo similar permite reconstruir la imagen tridimensional original. LEA
[1] Gell-Mann fue cofundador y director del Instituto de Santa Fe (Nuevo México), dedicado al estudio de la complejidad (complexity science) y es autor de un libro sobre este último tema: El quark y el jaguar. En una entrevista concedida a Scientific American dijo no ser una personalidad ni “apolínea” ni “dionisíaca”, sino un híbrido difícil que él llama “odiseico)”, lo que según reporta le ha causado más de un problema con sus colegas: “It’s a lonely place to be”.
[2] Por Enrico Fermi y P. A. M. Dirac en un caso, por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en el otro.
[3] El nombre fue escogido también para travesuras místicas de Gell-Mann, pues la misma designación de camino óctuple existe en el budismo para referirse a una ruta de desarrollo espiritual.
[4] Término tomado de Finnegan’s Wake, de James Joyce: “Three quarks for Muster Mark”.
[5] Una noción análogamente perturbadora vendría en la geometría fractal propuesta por Benoit Mandelbrot, en la que lo que se hace fraccionario es el concepto de dimensión. Esto es, hay estructuras geométricas que tienen, digamos, una dimensión mayor que 1 (la de una línea), pero menor que 2. (La de una superficie).
[6] Postulada independientemente por Gell-Mann y George Zweig. Este último había propuesto el nombre “ases” para las subpartículas, pero Gell-Mann ganó la batalla terminológica con sus quarks.
[7] Visitó a Venezuela en 1981 para recaudar—sin éxito—fondos a favor del Centro Internacional de Física de Trieste.
Excelente disertación sobre la Física Moderna. Temas de muy difícil comprensión para la mayoría de la cual formamos parte. Felicitaciones por el esfuerzo en la preparación y presentación del artículo.
Gracias, ingeniero Lecuna.