Partículas elementales del átomo
UN EJÉRCITO de detectives internacionales está pisándole los talones a una presa evasiva... una presa experta en disfraces y en escapes rápidos. Hay pistas en abundancia: huellas delatoras, un claro modo de trabajar y hasta fotografías. Las armas técnicas que el equipo usa para detectar a su presa mejoran a paso fijo, pero tal parece que los sujetos tras los cuales el equipo va se hacen cada vez más evasivos e inescrutables.
No se anda en busca de presa grande; se anda en busca de caza menor... de hecho, la más pequeñita. Los detectives a los cuales nos referimos son científicos atómicos, y lo que ellos buscan es la partícula elemental, el bloque de construcción del universo material.
Esa investigación se remonta a por lo menos el siglo cuarto a. de la E.C. Los filósofos griegos de aquel tiempo meditaron sobre el resultado de efectuar divisiones repetidas y sucesivas de la materia. Decidieron que tal cosa no se podría hacer indefinidamente; al fin y al cabo el resultado sería un trozo indivisible de materia. Se da a Demócrito el crédito por crear la palabra “átomo” para describir el más pequeño trozo de materia. Sin embargo, durante el siglo 20 los científicos han concentrado sus esfuerzos en hallar los componentes del átomo mismo.
Se encuentran las primeras “partículas elementales”
En 1897 J. J. Thomson halló la pista que le dio la identidad del electrón. Descubrió que la corriente eléctrica está compuesta de grandes cantidades de esta partícula. Los electrones son tan pequeños que en un segundo 6.000.000.000.000.000.000 de ellos atraviesan una bombilla eléctrica de 100 vatios. Los electrones, que de todas las partículas elementales son las menos evasivas, son como vagabundos inconstantes que fácilmente se transfieren de un lugar a otro, hasta por medio de simple fricción. Cuando el lector anda sobre una alfombra, sus zapatos pueden recoger miles de millones de electrones que se esparcen por todo su cuerpo, solo para reunirse y saltar desordenadamente a través del aire como una chispa procedente de su dedo cuando extiende la mano para tocar el interruptor de la luz.
En 1911 Ernesto Rutherford mostró que toda la carga positiva del átomo y la mayor parte de la masa de éste residen en una región que tiene 1/10000 del tamaño del átomo mismo. Eso hizo surgir la imagen popular que la mayoría de nosotros tenemos del átomo: un pequeño centro o núcleo rodeado de veloces electrones que giran en torno a él como abejas alrededor de una colmena.
Para 1932 se halló que el núcleo estaba compuesto de protones y neutrones. Los protones tienen la carga positiva del átomo... la cual es exactamente igual en tamaño, pero de la clase contraria a la carga negativa del electrón. El protón es más o menos 1.800 veces más macizo que el electrón, aproximadamente la misma proporción que hay entre un refrigerador y un bizcochito. El neutrón, que solo es un poco más macizo que el protón, no tiene carga alguna. Para los años cuarenta, por medio de experimentos y teoría, se había descorrido la cortina que ocultaba muchas otras partículas que desempeñan un papel en el núcleo. El cuadro mental que los científicos tenían del núcleo se estaba haciendo cada vez más complicado.
Métodos de detección
Los físicos “ven” las partículas por medio de examinar el residuo de la interacción de éstas con la materia. Esas interacciones pueden compararse con el paso de un niño travieso que trastorna un vecindario al correr a través de los jardines y volcar los botes de la basura. Después de cierto tiempo los vecinos pueden reconocer el patrón o modelo que se evidencia e identificar al culpable. Una partícula cargada en movimiento, libre del átomo que hasta entonces le ha servido de “hogar,” se comporta de manera parecida a un niño alborotado. Choca contra otros átomos, desaloja los electrones de éstos, y deja tras de sí un residuo de átomos cargados.
La cámara de niebla fue uno de los primeros detectores de partículas. Partículas cargadas dejan estelas de vapor en la cámara a causa de la condensación del vapor sobre los átomos “perturbados” por ellas a su paso, algo parecido al rastro que dejan los aviones de propulsión que vuelan a gran altura. Hoy día son más comunes las campanas de iones o cámaras de burbujas en las que se usa un líquido que está casi a punto de ebullición como medio a través del cual una corriente de burbujas marca el paso de la partícula.
Expertos en escapes rápidos
Las partículas viajan a tremendas velocidades. El fotón comparte con el neutrino y el gravitón el récord de mayor velocidad. Esas tres partículas carecen de masa y por lo tanto se desplazan a la velocidad de la luz (300.000 km/sec.), una velocidad que les permitiría dar más de siete vueltas a la Tierra en un segundo.
Las partículas materiales (las que tienen masa) se aproximan a la velocidad de la luz, pero en realidad nunca pueden llegar a alcanzarla. De hecho, la mayor velocidad que el electrón puede alcanzar al girar en torno del núcleo es de aproximadamente la décima parte de la velocidad de la luz. En comparación con la velocidad de las partículas más veloces, la velocidad del electrón se asemeja a la de un automóvil en una autopista en comparación con un reactor supersónico.
Artistas en cuestiones de transformación rápida
El tiempo de existencia de una partícula antes de su desintegración se llama su tiempo de vida o sencillamente su vida. Los electrones y los protones son estables, lo cual es otra manera de decir que la vida de ellos es infinita. Pero la mayoría de las partículas solo “viven” por muy breve tiempo. Por ejemplo, el muón, una partícula producida por la interacción de la radiación cósmica en la atmósfera superior, tiene una vida promedio de dos millonésimas de segundo. Cuando esa partícula “muere,” de súbito en su lugar aparecen un electrón y dos neutrinos. Eso puede compararse a un ladrón que al dar unos cuantos pasos fuera del banco se cambiara milagrosamente en tres personas diferentes que corrieran en direcciones diferentes.
Este súbito cambio de identidad ha dado muchos problemas a los científicos que tratan de estudiar las partículas de vida breve. Pocas millonésimas de segundo después de su formación, la partícula puede desintegrarse y transformarse en dos o más partículas inferiores, las cuales, a su vez, pueden cambiarse en otras partículas diferentes y más pequeñas. El proceso continúa hasta que por fin se producen partículas estables. Cuando una partícula cambia de identidad se dice que se desintegra espontáneamente. Pero, ¿a qué se debe que el electrón y el protón sean las únicas partículas con masa que no se desintegren espontáneamente? A causa de lo que se conoce como leyes de conservación.
Las leyes de conservación
Dicho sencillamente, una ley de conservación dice que si la cantidad que se conserva se mide antes de un suceso, esa cantidad no debe haber variado después del suceso.
Para ilustrar, imagínese un conjunto de cuatro canchas de tenis rodeadas de una cerca alta a fin de impedir que las pelotas se salgan de las canchas. A medida que los jugadores llegan, damos a cada jugador un juego de 10 pelotas idénticas y les decimos que no se preocupen por recordar qué pelotas recibieron para comenzar. Es probable que durante juegos simultáneos algunas pelotas caigan en las canchas contiguas y sean usadas allí también. Con el tiempo es posible que algunas pelotas lleguen a ser usadas por todos los jugadores. Después que los juegos hayan terminado, recogemos las pelotas. Esperamos recibir el mismo número de pelotas que repartimos. Si resulta que tenemos menos, llegamos a la conclusión de que algunas han caído al otro lado de la cerca o todavía están en las canchas, o que los jugadores se las han llevado. Ninguna otra explicación tendría sentido: las pelotas de tenis no se esfuman. En este caso, ‘se conservan las pelotas de tenis.’
Las leyes de conservación rigen el mundo físico. No puede suceder nada que viole una ley de conservación: no hay infractores de leyes entre los ciudadanos del mundo de las partículas elementales.
El electrón es estable a causa de la conservación de la masa y la carga eléctrica. Es la partícula cargada más ligera o liviana. Hay partículas más livianas que el electrón, pero todas ellas invariablemente son neutrales en cuanto a carga eléctrica. Si el electrón se desintegrara espontáneamente y se transformara en una de esas partículas más livianas tendría que deshacerse de su carga, pero no puede hacerlo porque eso violaría la ley de la conservación de la carga. No se puede transformar por medio del proceso de desintegración espontánea en una partícula cargada más pesada, porque eso violaría la ley de la conservación de la masa... eso sería tan imposible como cortar en rebanadas una hogaza de pan de un kilo y obtener rebanadas que pesaran dos kilos. De modo que el electrón no puede desintegrarse espontáneamente porque sencillamente ‘no tiene lugar adonde ir.’
El protón es estable porque a fin de desintegrarse espontáneamente tendría que violar una ley de conservación diferente. Por otra parte, el neutrón es estable siempre que pueda arrimarse a un protón. Póngase a un neutrón en “aislamiento,” y se desintegra espontáneamente en aproximadamente 15 minutos.
Kenneth Ford, en su libro The World of Elementary Particles (El mundo de las partículas elementales), recalca la importancia de las leyes de conservación de la siguiente manera: “La cosa ‘normal’ es que una partícula se desintegre espontáneamente y se transforme en otras partículas más livianas. Por razones que no se entienden cabalmente, hay dos partículas ‘anormales,’ el protón y el electrón, a las cuales les está prohibido desintegrarse espontáneamente. Según este punto de vista más amplio de las partículas, hay ciertas reglas de la naturaleza (leyes de conservación) que impiden la desintegración espontánea de esas dos partículas. A causa de este suceso fortuito, es posible la construcción de un mundo material.
“Por supuesto, puesto que hay un solo Universo y un solo juego de leyes naturales, no tiene mucho sentido decir que algún estado de asuntos en particular en el mundo exista por casualidad. Pero esta vista de la multiplicidad de las partículas continúa el proceso, que comenzó con Copérnico, de hacer que el hombre se sienta cada vez más humilde al enfrentarse con el diseño que hay en la naturaleza. Nosotros y nuestro mundo existimos gracias a ciertas leyes de conservación que estabilizan a unas cuantas partículas y permiten la construcción de una estructura ordenada sobre el caos normal del mundo submicroscópico.”
Las leyes de conservación predicen el “neutrino”
Los primeros experimentos en el estudio de las partículas subatómicas sugirieron que el neutrón se desintegraba espontáneamente de manera contraria a la conservación. Los investigadores notaron que, a medida que el neutrón se desintegraba y se transformaba en un protón y un electrón, el momento y la energía después de la desintegración espontánea era mucho menor de lo que habían sido antes de ésta. Puesto que aquellas cantidades eran cantidades que se conservaban, parecía que en aquel caso se violaban las leyes de conservación. Los físicos nucleares no podían aceptar tal conclusión.
Para salvar las leyes de conservación, los físicos teóricos inventaron el neutrino y lo ungieron con todas las cualidades necesarias a fin de hacerlo un compañero indivisible en el proceso de desintegración espontánea del neutrón. No se podía “ver,” pero la suposición de su existencia fue el producto de la fe que los científicos tenían en las leyes de conservación en las cuales habían aprendido a confiar.
Después de 25 años de aceptar el neutrino sobre una base de fe, los científicos lo atraparon en 1956. No es sorprendente que haya sido tan evasivo; no tiene carga, aparentemente carece de masa, y se desplaza a la velocidad de la luz. Los neutrinos interaccionan tan raras veces con la materia que la mayoría de ellos atraviesan completamente la Tierra con tanta facilidad como una bala pasa a través de papel de seda. En una prueba para tratar de verificar la existencia de los neutrinos, se calcula que los experimentadores enviaron 100.000.000.000.000 de neutrinos a través de 13 metros de hierro hasta una cámara de detección, y aun así solo se pudo registrar la captura de 29 neutrinos. Eso puede compararse a pasar toda la población del mundo por una pequeña habitación en la que haya una báscula, y obtener el resultado de que solo se registre la décima parte de un kilo.
Esquemas de clasificación
Para los años sesenta se habían descubierto tantas partículas que los científicos podían sentirse como un zoólogo que hubiese naufragado, que hubiese sido arrojado por las olas en la playa de una isla en la que hubiese una gran población de animales nunca antes vistos. En un esfuerzo por poner algún orden en la variedad de la población de partículas, los físicos clasificaron las partículas en grupos basándose en propiedades semejantes... tal como el zoólogo clasifica los diferentes animales en mamíferos, reptiles, y así por el estilo.
Las partículas más pesadas se llaman hadrones. Los hadrones excesivamente pesados se llaman bariones. Los bariones (protones, neutrones, y así por el estilo) son los “elefantes” del jardín zoológico de las partículas subatómicas. A los hadrones más ligeros se les llama mesones (piones, kaones, y así por el estilo) y tienen un tamaño como “de tigre.” Por lo general los leptones (electrones, muones, neutrinos) son los “insectos” del mundo de las partículas.
El sistema actual no se basa en tamaño y peso, sino en la probabilidad de que los miembros de cada clase interaccionen unos con otros. Los elefantes interaccionan con otros elefantes de maneras diferentes a como interaccionan con los insectos. De hecho, el insecto y el elefante quizás no se noten uno al otro, excepto cuando el elefante se come golosamente una hoja de la cual el insecto ya está comiendo. Se dice que la interacción de los elefantinos hadrones es fuerte. No parece que a los insectiles leptones les afecte en lo más mínimo la interacción fuerte: ¿qué le importa a un saltamontes el que dos elefantes estén luchando? Pero los leptones cargados son sensibles a la fuerza electromagnética e interaccionan con los hadrones según las reglas de esa fuerza, tal como ambos animales tienen que darse cuenta de que algo ha pasado si el animal pequeño en su vuelo cae en el globo del ojo del animal mayor.
¿Existe una partícula más “elemental”?
Desde que el hombre comenzó a sondear el átomo y a tratar de dividirlo, se han descubierto unas 300 partículas, la mayor parte de las cuales son hadrones. Parece que los leptones verdaderamente son “elementales”... es decir, no tienen tamaño discernible y no parecen tener estructura interna. Además, solo se conocen seis leptones, un buen numerito que sugiere sencillez. Los hadrones no son tan sencillos. Tienen un tamaño conmensurable y hay centenares de ellos. De los desechos de la desintegración espontánea de un hadrón salen otros hadrones.
En los años sesenta Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron una partícula nueva, el quark. La teoría de ellos declaraba que todos los hadrones estaban compuestos de dos o tres quarks combinados de alguna manera. Por medio de atribuir ciertas propiedades a los teóricos quarks, Gell-Mann y Zweig podían dar razón de todas las partículas nucleares (hadrones) conocidas, construyéndolas de sencillamente tres quarks diferentes a los que se llamó “up” (arriba), “down” (abajo), y “strange” (extraño). Un dividendo de la teoría era que predecía la existencia de una partícula que antes no se había descubierto, la cual, cuando fue descubierta más tarde, tenía las propiedades que se esperaban. Esto fortaleció grandemente la aceptación de la teoría. Ahora, experimentos recientes sugieren firmemente la presencia de otras tres variedades de quarks a los que se ha llamado “charmed” (encantado), “truth” (verdad) y “beauty” (belleza).
Al tiempo de escribirse este artículo, no se ha detectado de manera conclusiva a cada uno de estos quarks por separado; algunos creen que nunca se les aislará. Pero los quarks constituyen una base teórica firme para todas las partículas físicas. Como en el caso del neutrino, los científicos creen en ellos sin verlos debido a que pueden usarlos para predecir el comportamiento de las partículas detectables del átomo en ciertas condiciones.
¿Continuará bastando el número de quarks de la teoría actual para dar razón de nuevas partículas que todavía se descubran? ¿Se desenmascararán más quarks? ¿Se logrará aislar alguna vez un quark? ¿Son los quarks en verdad las últimas “partículas elementales” del núcleo del átomo? Si no, ¿de qué está compuesto un quark?
“De qué está compuesto” quizás nunca llegue a saberse. Cada vez que el sondeo de la materia avanza un paso, la llamada “partícula elemental” parece estar compuesta de algo más sencillo. (Ahora se está hablando de “gluones.”) ¿Se terminará alguna vez la búsqueda? Quizás nunca quede completamente satisfecha nuestra curiosidad. Para algunos la expectativa parece más tentadora que desanimadora. Se sienten como Pablo, el apóstol cristiano, quien dijo: “¡Oh la profundidad de las riquezas y de la sabiduría y del conocimiento de Dios! ¡Cuán inescrutables son sus juicios e ininvestigables sus caminos!”—Rom. 11:33.