lunes, 6 de octubre de 2014

El Modelo Estándar para dummies





Me encanta esta imagen. Es una serpiente de Uróboros donde se pueden observar las distintas escalas del Universo. Empezamos en la cabeza con constelaciones y galaxias y vamos bajando por el cuerpo encontrándonos con nuestro Sistema Solar, el propio Sol, la Tierra, las montañas, las personas, los animalillos...para seguir con las moléculas, los átomos y las distintas partículas subatómicas, candidatos a materia oscura (!) y demás familia. Lo que me gusta tanto de esta figura es que al morderse la cola, lo muy grande y lo muy pequeño quedan unidos. Eso es exactamente lo que ocurre en física de partículas. Mediante el estudio  de las partículas más pequeñas que conocemos hoy en día, intentamos entender lo que ocurre a las escalas más grandes del Universo. En los aceleradores de partículas se recrea, bajo condiciones controladas, el aspecto que tenía el universo una minúscula fracción de segundo después de que se produjera la gran explosión o Big Bang. 
Otro día hablaremos de lo que se hace exactamente en esos enormes colisionadores de partículas, pero por el momento vamos a intentar entender que es lo que se sabe hasta la fecha sobre la estructura de la materia.
Para ello tenemos que hablar del Modelo Estándar de física de partículas. Este modelo describe las interacciones fundamentales entre las partículas elementales. En este caso, cuando usamos la palabra elemental, nos referimos a que de momento no hemos encontrado que estas partículas tengan una estructura interna, son indivisibles. Esta es una de las cosas que más me gusta de la física: esto es así hasta que se demuestre lo contrario. Y es que en realidad, muchas veces en el pasado, se ha pensado que una partícula era indivisible para descubrir tiempo después que en realidad simplemente no se tenían aún los medios adecuados para echar un vistazo a su estructura. Pero no me voy por las ramas.  
Hoy en día, nuestra visión de la estructura de la materia tiene este aspecto: 



En la parte derecha de la figura de se pueden observar las distintas interacciones fundamentales que conocemos. Cada una de ellas tiene un bosón asociado.

  • Interacción electromagnética: Que se ocupa de explicar como interaccionan las partículas con carga eléctrica. Una manifestación de esta interacción es la archiconocida repulsión de cargas iguales y atracción de cargas opuestas. Su bosón asociado es el fotón.
  • Interacción fuerte: ¿Nunca te has preguntado por qué en los núcleos atómicos los protones no se repelen a pesar de tener carga positiva? Esta interacción tiene la culpa: al ser mucho más fuerte que la interacción electromagnética los protones se mantienen juntos.  Su bosón asociado es el gluón.
  • Interacción debil: El efecto más familiar de esta interacción es la desintegración beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. Sus bosones asociados son las partículas W y Z.
  • Interacción gravitacional: Posiblemente es con la que estamos más familiarizados en el día a día. Si no te suena de nada, deja caer una manzana. Curiosamente, esta interacción no viene descrita aún por el Modelo Estándar, pero para mantener la belleza de la teoría, debería de tener un bosón asociado llamado Gravitón.
En la parte izquierda de la figura se pueden observar los leptones, neutrinos (uno para cada leptón) y los quarks (top, bottom, strange, charme, up y down). Estas partículas son los constituyentes fundamentales de la materia y se denominan fermiones. En realidad, de una manera simplista, la materia que nos rodea hoy en día se podría describir sólo con un grupito formado por los quarks up y down y el electrón (junto con su neutrino asociado). ¿Y esto por qué?


El protón está formado por dos quarks up y un quark down. El neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Así que con estos quarks up y down somos capaces de formar los componentes de cualquier nucleo atómico: protones y neutrones. Para completar el átomo ponemos una nube de electrones alrededor del núcleo ...et voilà! ¡Así que con sólo tres partículas elementales lo podemos describir todo! Desde un árbol hasta el ordenador desde el que os estoy escribiendo esta entrada: todo está formado por distintas combinaciones de estas partículas.

No puedo resistirme a meterme un poco con los químicos (sin acritud): la tabla periódica para describir la materia desde el punto de vista de la física de partículas es por lo tanto ligeramente más sencilla para estudiar que esta ... :-)



Bueno, ya tenemos todos los ingredientes sobre la mesa. Fermiones, bosones y sus interacciones. No vamos a entrar a hablar ahora del por qué esos nombres, por el momento nos quedamos solamente con que son partículas con propiedades distintas: unas son las partículas constituyentes de la materia (fermiones) y las otras son las partículas asociadas a cada interacción (bosones)

Eso de partículas constituyentes parece bastante intuitivo: son los ladrillos de la materia como hemos explicado antes para los neutrones y protones. Pero...¿Qué demonios es eso de partículas asociadas a una interacción?  ¡Voy, voy!

A mi me gusta verlo con un ejemplo. Me imagino a dos personas, cada una en una barca pequeñita, lanzándose una pelota. Cada vez que uno lanza la pelota o que recibe la pelota del otro, la barca en la que están se desplaza un poco sobre el agua.  De alguna manera, el hecho de estar intercambiándose la pelota, hace que exista una interacción entre ellos incluso en la distancia. Eso es justamente lo que pasa con las fuerzas fundamentales. Cada una de ellas tiene asociada un bosón (o partícula de intercambio) que es la responsable de que se produzca una interacción entre las partículas elementales ( o barcas si seguimos el ejemplo anterior). Así, en la interacción electromagnética, el hecho de que dos partículas de carga opuesta se atraigan en el fondo es el reflejo de que se están intercambiando fotones, que sería justamente la pelota asociada a la fuerza electromagnética.

Con esto tenemos los ingredientes para entender de una manera intuitiva en que consiste la visión que tenemos actualmente de la estructura de la materia y de sus interacciones. Tan sencillo y tan sofisticado a la vez.
Hasta el día de hoy, todas las piezas del Modelo Estándar han sido confirmadas por las observaciones experimentales. Esto lo hace un modelo extremadamente robusto...pero esto no quiere decir que tenga la respuesta para todo. Quedan aún muchas preguntas por responder. Una de ellas es precisamente que este modelo no describe la fuerza gravitatoria tal y como comentábamos más arriba. Tampoco da una respuesta a qué es la materia oscura. Justamente estas y otras insuficiencias abren terrenos nuevos y apasionantes con nuevos modelos que esperemos que podamos confirmar o rechazar en los próximos años.

Un lector avispado se dará cuenta de que he hablado de los bosones, pero en toda esta entrada no he hablado aún del último éxito del Módelo Estándar: el mediático bosón de Higgs. El motivo de este despiste es porque...¡se merece una entrada para él solito! Y la tendrá. :-)