Y la materia, ¿de qué está hecha? I. La materia que conocemos

Vivimos en un país en el que la Cultura General es asimétrica: casi cualquiera conoce detalles muy específicos de literatura, pintura, arquitectura, escultura e historia. Hasta incluso de filosofía, si me apuras, aunque quizá menos. Pero los comunes mortales desconocen las nociones más básicas de la ciencia, lo que les hace albergar una cultura general mediada, resultando ágrafos funcionales en lo que a las materias científicas se refiere. A esta anomalía no somos ajenos los propios científicos que resultamos legos en muchas temáticas que no estén próximas a nuestra especialidad.
En el ámbito de la física, son varias las cuestiones que cabría incluir en un hipotético paquete de conocimiento fundamental, con el que cualquier hijo de vecino debiera sentirse familiarizado, pero, dada su importancia desde muchos puntos de vista, creo que la Estructura de la Materia debe ser una de ellas.
¿Cómo está formada la materia que conocemos? ¿Existen unos bloques elementales con los que construirla? ¿Cómo interactúan entre sí dichos bloques elementales?
Lejos de ser éstas unas preguntas recientes, motivadas por la investigación más puntera del momento, resulta que fueron formuladas ya mucho tiempo atrás y fueron respondidas de diversas formas, si bien todas ellas tenían un interés especial en la simplicidad. Griegos, chinos, indios, prácticamente todas las civilizaciones desarrollaron sus teorías filosóficas al respecto, teorías que redundaron en explicaciones, en general muy curiosas, de los hechos experimentales observados. Supongo que la mayoría habrá oído hablar alguna vez de los cuatro elementos, aire, tierra, fuego y agua, con los que, primero, Empedocles y, más tarde, Aristóteles explicaban, allá por los siglos V-IV a. C. (o a. e. c., antes de la era común, que es como ahora se dice por aquello de lo políticamente correcto) la composición de todos los entes materiales conocidos.

Se sabe también que, durante el s. II a. e. c., los chinos de la doctrina Wu Xing abogaban por una materia conformada por combinaciones de 5 elementos (madera, fuego, tierra, metal y agua), con interacciones entre ellos de diversa índole y con los que eran capaces de explicar desde fenómenos de carácter cósmico a las propiedades de los medicamentos, pasando por la evolución política o la de los órganos internos de los animales, ser humano incluido. Una teoría del todo pues.

Y ya en el s. IV, los indios de la escuela Samkhya echaban mano de los mismo cuatro elementos fundamentales griegos y los completaban con el espacio como quinto en discordia.

No es mi objetivo continuar con un relato pormenorizado de la evolución de esos ingredientes básicos a lo largo de la historia y, así, voy a saltar directamente a la teoría actualmente aceptada: el Modelo Estándar. Como toda teoría de este tipo que se precie, incluye tanto los bloques fundamentales con los que se constituye la materia, las partículas elementales, como las interacciones que se establecen entre ellas y que, en última instancia, son las responsables de que la materia sea como la conocemos.
Empecemos con las primeras. Resulta que esas partículas elementales están organizadas en dos familias, cada una de ellas compuesta por seis partículas, tal y como puede verse en la siguiente figura. Por una lado están los quarks y por otro los leptones. Los seis quarks son: up (u), down (d), strange (s), charm (c), top (t) y bottom (b). Los seis leptones son: electrón (e), muón (μ), tau (τ) y los tres neutrinos respectivos. La masa (en unidades de eV/c2, con c la velocidad de la luz en el vacío), y la carga (en unidades de la carga del electrón, e) de cada una de ellas son los valores numéricos que aparecen en cada una de las casillas de la figura 1. Como vemos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga del electrón, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros. Todas estas partículas elementales tienen spin ½, siendo por tanto fermiones.

Es verdad que el número de ingredientes básicos de las antiguas teorías (4 ó 5) ha quedado sobrepasado, pero 12 tampoco son tantos. Aunque hay que hacer la salvedad de que, en realidad, son 24 porque por cada una de esas partículas elementales viene con su correspondiente antipartícula.
Vamos a ver el otro ingrediente del modelo: las interacciones. Como vemos en la tabla, existen en la naturaleza cuatro fuerzas que actúan entre esas partículas elementales que acabamos de ver. En orden creciente de intensidad son: la fuerza gravitatoria, la débil, la electromagnética y la fuerte. Si a esta última le asignamos una intensidad relativa de 1, las de las otras tres son, respectivamente, 10^-39 , 10^-6 y 1/137. Es precisamente la fuerza fuerte la que establece la diferencia entre quarks y leptones: mientras que actúa entre aquéllos, éstos son inmunes a ella. Por su parte la fuerza gravitatoria actúa sobre cualquier partícula con masa y la electromagnética entre partículas con carga no nula.

En lo que respecta al alcance, las fuerzas gravitatoria y electromagnética pueden actuar hasta distancias infinitas y, por tanto, se manifiestan no sólo entre las partículas fundamentales que hemos visto, sino también entre “bloques” macroscópicos (por supuesto, siempre que tengan masa y/o carga). Por el contrario, las fuerzas fuerte y débil son genuinamente sub-nucleares debido, entre otras cosas, a su alcance.
La acción de estas fuerzas entre las partículas elementales hace que, en determinadas condiciones, se agrupen dando lugar a estructuras más complejas. Por ejemplo, la fuerza fuerte actuando sobre los quarks hace que estos formen los hadrones que pueden ser de dos tipos: los bariones, constituidos por tres quarks, con spin semi-impar y que por tanto son fermiones, y los mesones, que resultan de la combinación de un quark y un anti-quark, tienen spin entero y son bosones. Todos ellos sienten la fuerza resultante de la interacción fuerte entre los quarks que los forman y que se denomina, según el contexto, fuerza fuerte residual o interacción nucleón-nucleón. Entre los bariones, los dos más conocidos sin duda son el protón (cuya composición es uud) y el neutrón (udd), pero existen un sinfín de ellos, con propiedades más o menos conocidas, y que pueden encontrarse, como todas las demás partículas, en la tabulación que anualmente publica el Particle Data Group. Entre otros muchos mesones se encuentran los tres piones, π⁰, π⁺ y π^–, que resultan ser los de menor masa.
La acción de la fuerza fuerte junto con la electromagnética da lugar a las agrupaciones de protones y neutrones que conocemos como núcleos atómicos y la interacción entre estos y los electrones da lugar a los átomos y a las moléculas que constituyen los materiales macroscópicos que conocemos. Recordemos en este punto que son 118 los elementos químicos diferentes conocidos hoy día y que son más de 2000 las especies nucleares que se han identificado hasta ahora de las que apenas 250 son estables. Y que la razón de la diferencia entre ambos números estriba en el hecho de que las propiedades químicas de los elementos están esencialmente dictadas por el número de electrones que tiene el átomo correspondiente, mientras que desde el punto de vista nuclear dos isotopos, es decir dos núcleos con igual números de protones y distinto número de neutrones, cuyos átomos tendrían las mismas propiedades químicas, pueden tener características muy diferentes. Quizás merezca la pena citar un ejemplo ilustrativo: los núcleos ²³²U y ²³³U se diferencian tan solo en un neutrón, y ambos son radiactivos, pero mientras que el periodo de semidesintegración del primero es de 68.9 años, el del segundo alcanza la nada desdeñable cifra de 1.59×10⁵ años.
Aún nos queda un detalle para completar nuestra visión del problema. Cuando dos partículas interactúan mediante una de las interacciones antes indicadas, el proceso puede describirse en mecánica cuántica como el intercambio de una o varias partículas. Estamos hablando de los denominados bosones de gauge o intermediarios. Como podemos ver en la tabla anterior se trata de los gluones, en el caso de la fuerza fuerte, el fotón, en el de la electromagnética, bien conocido desde antaño, los bosones Z⁰, W⁺ y W^–, asociados a la fuerza débil, y el gravitón, responsable de la interacción gravitatoria y aún por encontrar experimentalmente. Las masas y cargas de todos ellos pueden verse en la figura siguiente. Como todos tienen spin 1 son, por tanto, bosones; de ahí su nombre, claro.

Acabamos con el bosón de Higgs, descubierto en el acelerador LHC del CERN en 2012. Esta partícula había sido propuesta de manera independiente por Higgs, Englert y Blourt y Guralnik, Hagen y Kibble en 1964 para explicar, en el marco de la teoría, porqué las partículas tienen la masa que tienen. Como vemos en la figura no tiene carga, pero a diferencia de lo que ocurre con los bosones intermediarios, su spin es 0.
Esto es sucintamente lo que hoy día admitimos como cierto en lo que a la composición de la materia conocida se refiere. Como vemos se trata de un esquema bastante simplificado y que hubiera colmado los ideales al respecto de cuantos en el pasado habían abordado la cuestión. Pero, aparte de algunas preguntas aún sin respuesta, como por ejemplo, ¿por qué son seis las partículas de cada una de las dos familias?, nos enfrentamos hoy día a sendos misterios de los que el modelo estándar no puede dar cuenta: la materia y la energía oscuras. Entre ambas constituyen nada más y nada menos que el 95% del contenido total de energía-masa del universo y de ambas se conoce aún muy poco. Pero esto será objeto de próximas entregas….