Daniel de Florian

Átomos, núcleos y partículas elementales:
una expedición al mundo subatómico
Daniel de Florian
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Prólogo
1. ¿Qué es elemental?
¿Qué es elemental? ¿Por qué buscarlo? ¿Cómo?
2. Filósofos, alquimistas, químicos
Φιλοσοφοσ (Filósofos)
Alquimistas
Químicos
¿Cuánto mide un átomo?
3. α , β , γ , X
Rayos (y centellas)
El descubrimiento del electrón
4. La era atómica
Thomson, el señor β
Rutherford, el señor α
Aparecen el protón y el neutrón
Varios problemas a la vista
5. La nueva física
Mecánica clásica
La naturaleza de la luz y el electromagnetismo
Primer problema: solución relativista
Segundo problema: solución cuántica
6. El átomo cuántico
Uno, tres, cuatro números cuánticos
Spin y principio de exclusión
Ahora sí, entendemos a Mendeleev
¿Ondas o partículas?
La mecánica cuántica
Determinismo e incerteza
7. Partículas y antipartículas
Relatividad y cuántica
Fuerzas y mediadores
8. La era nuclear
Piones y muones
Fuerza débil
Era nuclear
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9. Leptones, bariones, mesones: demasiadas partículas
Los leptones en familia
El extraño mundo de los hadrones
Detectores y aceleradores
Crear dos, tres, muchos hadrones
Orden, ¡por favor!
10. La era de los quarks
Three quarks for Munster Mark
¿Existen los quarks?
Tres colores
Seis quarks, seis leptones
Interacción débil revisada
Elige tu propia lectura
Evidencia de quarks y de color
11. ¿De qué estamos hechos?
Interacciones y simetrías
Partículas de materia
Partículas mediadoras
Estamos hechos de… y por…
¿Son realmente elementales?
El futuro de la física de partículas elementales
Epílogo
Y por casa, ¿cómo andamos?
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Prólogo
Escribir un libro no es una tarea sencilla, jamás pensé que lo fuera. Los científicos
estamos acostumbrados a escribir sobre nuestro trabajo. Es fundamental hacerlo para
permitir la diseminación del conocimiento. Sin embargo, para ello utilizamos un
lenguaje muy diferente al que es conveniente para un libro de divulgación. En la
física, además de utilizar una gran cantidad de jerga técnica (palabras que muchas
veces son más complicadas que los conceptos que quieren comunicar), el lenguaje
que nos permite expresar nuestras ideas de una manera bien definida y precisa es el
de las matemáticas.
Pero en un libro de divulgación, la situación es muy diferente. Queremos expresar las
ideas fundamentales de una manera que puedan ser comprendidas por quien no es un
experto. Y eso, necesariamente, involucra eliminar la posibilidad de utilizar
conceptos matemáticos complejos. Entonces es necesario recurrir a analogías con
situaciones a las que estamos familiarizados para lograr una simplificación de las
ideas.
Al escribir este libro he intentado por todos los medios cumplir con esta consigna,
pero no puedo asegurar haberlo logrado. De todas formas, y esto debe quedar en claro
para el lector, por más que se trate de un libro de divulgación y no de un manual
escolar, para poder comprender algunos de los conceptos más profundos de la física
es necesario realizar cierto esfuerzo. La idea de que se puede aprender sin esforzarse
es completamente falsa. Se lo podrá hacer de manera más o menos atractiva, pero la
base de esfuerzo de parte del lector será la misma, aunque algunas anécdotas
divertidas sirvan para disimularlo.
En este libro en particular, hará falta que el lector realice una abstracción un poco
mayor. La ciencia no da respuestas absolutas y definitivas, sino que trata de acercarse
a la verdad de la forma que le sea posible, pero intuyendo que tal vez nunca
lleguemos a ella. Por esta razón, nuestra comprensión sobre los fenómenos de la
naturaleza va cambiando continuamente, a veces de manera radical. En este libro
encontrarán varios ejemplos de estos cambios, algún capítulo se dedicará a probar que
lo expresado en el anterior no es totalmente correcto.
La construcción del conocimiento se realiza por pasos, algunos pequeños, otros sobre
abismos. El lector deberá aceptar este hecho, y lidiar con estos cambios; cuando
piense que ya comprendió todo, probablemente se encontrará con algún nuevo giro.
Este libro está escrito a propósito para provocar esa reacción, si algo debe quedar en
claro de su lectura es que aún el último capítulo, que resumirá el conocimiento más
moderno sobre la estructura de la materia, seguramente será superado por alguna otra
teoría en un futuro no lejano. Comprendo claramente que esto representa un desafío
para el que está acostumbrado a recibir información (sobre todo en el colegio) como
la verdad absoluta, pero estoy seguro que el lector estará a la altura del mismo.
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Quiero agradecer a Juan Pablo Paz y a EUDEBA, por ofrecerme la oportunidad de
escribir este libro, y a muchos de mis colegas del Departamento de Física de la
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, entre ellos Rodolfo Sassot,
Diego Mazzitelli y Gabriela Navarro por suministrarme buena parte del material
utilizado para escribirlo y por escucharme hablar de él infinita cantidad de veces.
A Carlos García Canal y Rodolfo Sassot, junto a quienes di mis primeros pasos en la
investigación, el reconocimiento por la gran cantidad de valiosos comentarios que
sirvieron para mejorar considerablemente el contenido de este ejemplar.
Y, sobre todo, el agradecimiento a mi familia, por aguantarme mientras lo escribía. A
mi esposa Mariel por corregir la primera versión del texto y a mis hijas Aylen y
Emilia por ayudarme con algunas de las ilustraciones.
Quienes estén interesados en encontrar más material sobre la física de las partículas
elementales, podrán visitar la página Web dedicada a este libro
www.df.uba.ar/users/deflo/libro.html donde hallarán links a numerosas
publicaciones online, material para profesores y alumnos de colegios secundarios, y
novedades en el tema.
Buenos Aires, Febrero 2005
Daniel de Florian
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1. ¿Qué es elemental?
La materia que observamos está formada por conjuntos más o menos complejos de
moléculas, compuestas por átomos, que están formados por electrones y un núcleo. El
núcleo atómico contiene a los protones y neutrones que a su vez están compuestos
por quarks. El electrón y los quarks poseen el tamaño más pequeño que podemos
llegar a estudiar hoy, por lo que en principio podemos considerarlos como partículas
puntuales sin dimensiones. La materia, entonces finalmente, está formada de casi
nada... Y cuando decimos la materia en este caso, no importa demasiado a que tipo
de materia nos referimos. Involucramos desde objetos gigantescos, como planetas,
hasta diminutos seres vivos, incluyéndonos. Si imaginariamente comenzamos a
descomponer su estructura hasta llegar al grado en que no podemos (hoy) dividirla
más, invariablemente culminaremos con quarks y electrones. La rama de la ciencia
que se dedica al estudio de estas diminutas partículas y las fuerzas involucradas entre
ellas se conoce como la física de las partículas elementales.
Las diversas estructuras observables, desde la escala planetaria a la subatómica,
persisten bajo la influencia de cuatro tipos de fuerzas distintas que afectan a sus
componentes de distinta forma: las interacciones electromagnética, débil, fuerte y
gravitatoria.
Fig. 1.1 Composición elemental de la materia y las fuerzas dominantes a cada escala
Cualquier libro sobre partículas elementales puede comenzar así, al fin y al cabo su
objetivo principal es resumir las propiedades de las componentes más pequeñas de la
materia. No hay, a priori, necesidad de pasar por la descripción de sistemas más
complejos que comprendimos hace ya muchos años. Sin embargo, la historia del
descubrimiento de las partículas elementales durante el último siglo es tan rica que
vale la pena revisarla. Por un lado nos permite observar cómo nuestro conocimiento
ha cambiado a medida que pudimos estudiar estructuras cada vez más pequeñas.
Además de ser un ejemplo de una de las formas en que la ciencia progresa, nos
alertará sobre la necesidad de comprender que el conocimiento al que hemos llegado
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hoy de ninguna manera tiene que ser tomado como la respuesta final a nuestra
búsqueda. Hay una gran lección de humildad en la historia, veremos que en diversas
ocasiones grandes científicos elaboraron teorías que fueron consideradas como
definitivamente correctas, para ser luego completamente modificadas. ¿Por qué no
puede sucedernos lo mismo?
Por otro lado observaremos que la historia del descubrimiento de nuevas partículas
sigue patrones que se repetirán varias veces, en cada paso con mayor precisión,
complejidad y energía que en el anterior. Entender los casos más simples desde el
principio nos hará, sin lugar a dudas, mucho más sencilla la tarea para seguir
adelante.
Pero, claro, éste es un libro de divulgación científica y no una novela donde el
misterio se devela en las últimas páginas. Por ello la página inicial de este libro se
encuentra donde corresponde. A partir de conocer, de manera aún muy resumida,
hacia dónde queremos llegar, realizaremos un viaje tanto temporal como espacial en
el conocimiento: desde el comienzo de la civilización hasta nuestros días y desde las
estructuras más grandes hacia las más pequeñas.
En este viaje encontraremos todo tipo de revoluciones científicas que han cambiado
nuestra comprensión de la naturaleza de manera fabulosa, pero que por su alto grado
de complejidad ha impedido que este conocimiento pudiera llegar de manera más
clara a aquellos que no son expertos en el tema. Sin embargo, así como para disfrutar
de un buen recital de rock no hace falta ser un músico profesional, tampoco es
necesario ser un científico para apreciar los hallazgos de la ciencia. La idea de este
libro es, justamente, intentar expresar esos conocimientos de manera que puedan ser
comprensibles para todos aquellos que quieran satisfacer el deseo de conocer.
¿Qué es elemental? ¿Por qué buscarlo? ¿Cómo?
Para comenzar nuestro viaje, tenemos que definir qué comprendemos por elemental,
o fundamental, respecto de la composición de la materia. Nos referimos básicamente
a la búsqueda de unos pocos bloques básicos a partir de los cuales se pueda entender
la construcción de todo lo demás, simplemente como distintas combinaciones de
ellos. Trataremos de definir más adelante qué entendemos por unos pocos con
algunos ejemplos históricos. La elementalidad implica la idea de indivisibilidad.
Estos bloques fundamentales, para serlo, no deben poder ser divididos en otros
componentes más elementales. Y, aunque parezca una pregunta un poco filosófica, es
necesario plantearse la duda sobre si estas unidades mínimas tienen existencia real.
Como veremos más adelante, las teorías modernas de la Física, en particular la
mecánica cuántica, nos indican que al menos existen cuantos, unidades mínimas de
energía que podemos asociar a la existencia de ciertas partículas elementales. Pero no
siempre fue así. La idea de elementalidad, debemos tenerlo bien presente a lo largo de
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este libro, es un concepto en permanente evolución. Un objeto que pensamos es
elemental deja de serlo sencillamente cuando descubrimos que posee una estructura
más pequeña. El lector podrá preguntarse cómo es que ha sido posible para la física
explicar de manera satisfactoria diversos fenómenos a partir de conceptos que luego
sufrieron cambios drásticos. La respuesta es bastante sencilla, las leyes de la física
son aplicables a ciertas escalas, ya sea de tamaños o energías, donde tienen su rango
de validez. Para colocar un clavo en la pared es irrelevante conocer la estructura
atómica de ambos, y por irrelevante queremos significar completamente innecesario,
cuando no, incluso inconveniente. Sería imposible, además de inútil, tratar de
describir el ingreso del clavo en la pared átomo por átomo. En situaciones que
involucran escalas macroscópicas no es necesaria una descripción microscópica. Esto
es, podemos no sólo colocar el clavo sino estudiar cuales son las características más
convenientes para el objeto en cuestión, como su forma, sin saber el detalle de su
estructura interna.
La evolución en la física se produce ante la aparición de nuevas ideas, a veces
drásticamente revolucionarias, que permiten expandir el número de fenómenos que
pueden ser explicados. Como veremos en varias ocasiones, eso no significa que exista
la necesidad imperiosa de abandonar todo lo aprendido hasta ese momento, en
general será cuestión de delimitar su rango de aplicabilidad. Si no fuera así, no
podría existir la ciencia hasta encontrar la teoría que explique todo en términos
de algunos hipotéticos componentes elementales definitivos, ¡si es que algo
como eso realmente existe!
Definida la idea de elementalidad, vale la pena cuestionarse por qué estamos tan
interesados en descubrirla. Esa pregunta tiene varias respuestas posibles que se
potencian. En primer lugar, se podría decir que queremos saber cuáles son los
componentes fundamentales de la materia simplemente porque queremos saberlo. Por
supuesto que hay algo más detrás de ese interés: conocer la composición de la
materia, además de satisfacer nuestra necesidad intelectual, nos permite usarla de
manera más eficaz. La relevancia de la electrónica en la tecnología moderna es un
claro ejemplo de cómo el desarrollo del conocimiento de la Física ha dado lugar a un
sinfín de aplicaciones.
Además hay, como decíamos, otras razones de importancia. Conocer de qué está
hecha la materia nos permite establecer, por ejemplo, las diferencias y similitudes
entre los distintos objetos, vivos e inertes, que forman nuestro universo. Hoy llaman
enormemente la atención los recientes descubrimientos sobre la estructura genética de
los seres humanos y su gran similitud con la de otros animales. De los,
aproximadamente, 25000 genes que forman el ADN humano, sólo unos pocos,
cientos, nos distinguen de los animales que siempre entendimos como más cercanos,
como los monos, y de algunos otros que en principio parecen mucho más diferentes
como las ratas. Como veremos, las diferencias son mucho más sutiles, ya que desde el
punto de vista de las partículas elementales el ADN no es más que una complicada
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molécula, y que solo el ordenamiento de los átomos que lo forman nos distingue de
cualquier objeto que podemos observar. Y si como decíamos al comienzo, y
trataremos de mostrar a lo largo de este libro, toda la materia está compuesta
básicamente por partículas puntuales y vacío, las diferencias se vuelven casi una
anécdota. Nuestra posición privilegiada de seres humanos se reduce a una fortuita
combinación de átomos que nos pone en ventaja sobre otros seres y objetos. El
conocimiento sobre la composición de la materia tiene otras implicancias filosóficas
fundamentales, fuera del alcance de esta publicación, incluyendo la influencia que ha
tenido la Física sobre las religiones, desplazándolas del escenario principal que
ocuparon durante siglos.
Una vez aceptado nuestro interés en el tema, la pregunta a responder es cómo se
puede develar la elementalidad. Como se podrán imaginar, cuando uno se acerca al
mundo subatómico, donde nada puede observarse directamente ni siquiera utilizando
la tecnología más avanzada, hay que pensar muy seriamente cómo poder identificar
estructuras que no son visibles. Deberemos ser extremadamente ingeniosos para
lograrlo, y habrá que buscar señales indirectas de la elementalidad en la materia.
Tomemos un ejemplo más sencillo para orientarnos, algo que podamos ver con
nuestros propios ojos. Si uno recorre la ciudad de Buenos Aires notará que hay
cientos de miles de edificios y casas, y aunque algunos sean muy parecidos, no
encontrará dos que sean absolutamente idénticos. Supongamos, por un momento, que
somos extraterrestres recién llegados a la ciudad (y que en nuestro planeta de origen
se vive al aire libre, así que no conocemos los edificios) y no tenemos idea sobre
cómo se han producido esas construcciones. En principio podríamos pensar que cada
una de ellas es una formación geológica única, fundamental e irrepetible. Sin
embargo todas tienen características comunes: sus paredes son planas, tienen
aberturas para el ingreso de las personas, para el recambio de aire y la iluminación
natural. Algunas tienen techos a dos aguas, otras tienen terrazas, pero hay un patrón
de regularidad, o llamémoslo de repetición o periodicidad, en todas ellas que nos da
la idea de que están formadas por un número menor de elementos un poco más
primarios, como ladrillos, tejas, puertas y ventanas, entre otras cosas. Y podemos
pensar eso aún antes de destruir algunas para comprobarlo, la observación de la
periodicidad nos permite intuirlo. Y en realidad, si bien la destrucción de unas pocas
construcciones nos permitirá corroborar nuestra idea, ni siquiera es necesario romper
las paredes para ver los ladrillos con nuestros propios ojos. Una toma de rayos X de
algunas de las paredes, -y en nuestro planeta confiamos plenamente en lo que se
observa en las radiografías ya que estamos acostumbrados a usarlas-, serán
suficientes. Observar objetos en radiografías se ha vuelto tan creíble como
observarlos a ojo desnudo. En el mundo subatómico deberemos incluso redefinir que
entendemos por ver.
A partir de ese paso tenemos un conocimiento científico sobre elementalidad que nos
permite simplificar considerablemente la información sobre las construcciones
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edilicias: en lugar de cientos de miles de formaciones geológicas fundamentales
sabemos que todas ellas están constituidas por unos pocos componentes básicos. La
increíble diversidad de construcciones se explica simplemente en la gran cantidad,
casi inimaginable, de formas en que uno puede combinar unos cuantos miles de
ladrillos. A partir de la observación de un patrón, formulamos una teoría que pudimos
verificar experimentalmente. A veces la ciencia avanza así, con conjeturas elaboradas
a partir de alguna observación básica y con una verificación posterior más rigurosa.
Otras veces lo hace de una manera completamente diferente, a partir de observaciones
extremadamente precisas o, en algunos casos fascinantes, a través de ideas increíbles,
a veces originadas en caprichos y sin ningún contraste previo con la realidad, como
veremos.
La búsqueda de patrones de regularidad o periodicidad será fundamental para estudiar
la estructura elemental de la materia. A lo largo de este libro encontraremos que hay
otras señales de elementalidad que nos serán particularmente útiles para lograr
nuestro fin.
Para finalizar este capítulo, es importante aclarar que no es suficiente encontrar cuáles
son las partículas elementales de la materia. Además, debemos comprender cuáles
son sus interacciones, esto es, de qué manera se ejercen las partículas fuerzas entre sí.
En el caso del átomo, queremos entender qué mantiene al electrón y al núcleo unidos;
en el del núcleo, qué ata a los protones y neutrones dentro de él. En el del protón
debemos descubrir qué interacción es responsable de mantener ligados a los quarks
que lo forman, con una fuerza tan grande que hace muy difícil separarlos e imposible
observarlos libres.
Esto es, la teoría de las partículas elementales debe incluir una descripción tanto de
los objetos fundamentales que forman la materia como de sus interacciones, que
como veremos, involucran la aparición de nuevas partículas. No sólo hace falta
encontrar a los ladrillos de la construcción sino descubrir a los diferentes cementos
que los mantienen pegados.
A nivel subatómico existen cuatro fuerzas fundamentales, sin embargo, una de ellas,
la gravitatoria, es tan extremadamente pequeña cuando se trata de partículas tan
diminutas como las que estudiaremos, que por unos cuantos capítulos nos podemos
olvidar de esta interacción por completo.
Nuestra teoría, además, debe ser simple y por ello atractiva, pues es difícil imaginar
que la naturaleza haya podido permitir la evolución del universo partiendo de leyes
muy complicadas e intrincadas. Y, si es posible, debe ser correcta, aunque en vista de
los cambios producidos durante el siglo XX, nos conformamos con que describa la
naturaleza de la manera más precisa que nos sea posible a las escalas que podemos
observar.
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