¿QUERÉS QUE SOBREVIVA LA INTELIGENCIA COLECTIVA? HAY QUE LEER VIEJO!, EL HECHO DE QUE NO HAYA IMAGENES ES PORQUE LAS IMAGENES COMPLICABAN EL TEMA AUN MÁS
En esta parte número 1 (Lo divido en partes porque taringa tiene límite de cantidad de caracteres (65000)) les traigo la explicación de algunas de las partículas que vamos a ver durante esta saga de partículas del universo, es apta para todo público, no se asusten con la cantidad de texto porque esta explicado con vocabulario fácil, de modo que más texto es una especie de sacrificio para que sea mas comprensible..
El electrón
En primer lugar, un electrón es una partícula elemental. Esto quiere decir que no está compuesto de partículas más simples (que sepamos, por supuesto)._ Pues claro, puede decir algún lector avezado. _¿Quién no sabe que un electrón es una partícula elemental? ¿Por qué lo dices como si fuera especial?
Bien, hago énfasis en esto porque mucha gente llama “partículas elementales” a cosas que no lo son. Por ejemplo, los protones y los neutrones (cada uno de los cuales tendrá su entrada particular en esta serie) no son partículas elementales. Ya veremos por qué otras partículas están constituidos cuando llegue la hora. Pero el electrón sí lo es - que sepamos nosotros, no tiene estructura interna.
En segundo lugar, un electrón es un fermión. Esto quiere decir, dicho llanamente, que es una partícula “individualista”: sólo un electrón puede ocupar un estado cuántico determinado. Si ya hay un electrón ocupando ese estado, otros electrones no lo ocupan. Los fermiones, básicamente, son las partículas que constituyen la materia.
Si los electrones no fueran fermiones, un átomo con (por ejemplo) 20 electrones los tendría a todos apelotonados cerca del núcleo y no existirían ni los niveles de energía, ni las valencias, ni las reacciones químicas ni nosotros. El hecho de que los electrones, en el átomo, se organicen en “capas” como una cebolla se debe a que son fermiones.
En tercer lugar, un electrón es un leptón. Esto significa que no se ve afectado por la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es la que mantiene unidos los núcleos de los átomos - pero, como sabes, los electrones no están en el núcleo, y esa es precisamente la razón de que no lo estén: si los electrones no fueran leptones, serían afectados por la fuerza nuclear fuerte y no estarían formando una “nube” alrededor del núcleo, sino formando parte de él.
En cuarto lugar, un electrón tiene una carga eléctrica de valor -1 (en unidades atómicas), y por lo tanto decimos de él que tiene “carga negativa”. Algún día dedicaremos una Falacia iracunda a lo de la “energía positiva (buena)” y “energía negativa (mala)” de diversas pseudociencias, pero baste decir lo siguiente: llamamos a la carga “positiva” y “negativa” porque nos da la gana. Podríamos haberlas llamado “verde” y “roja”, y tan a gusto.
Lo que pasa es que es muy conveniente (por varias razones, como para sumar una y otra y poder cancelarlas, para poder multiplicarlas fácilmente…) utilizar + y -. Pero cuál es cuál y que sean signos es algo que nos hemos inventado nosotros.
En cualquier caso, al tener carga, el electrón se ve afectado por la fuerza electromagnética - ésa es la razón de que se encuentre “dando vueltas” alrededor del núcleo cargado “positivamente”. De hecho, los electrones que se mueven por los conductores son los que llevan la corriente eléctrica a nuestras casas (ya sé que lo sabes, pero bueno).
En quinto lugar, un electrón tiene una masa de unos 10-30 kg. A pesar de que tú, querido lector, tienes miles de cuatrillones de electrones en tu cuerpo, su masa total sólo es de unos pocos gramos. Sin embargo, veremos otras partículas que no tienen masa o tienen incluso menos que el electrón (aunque otras, como el protón, son casi 2000 veces más pesadas).
Casi todos los electrones del Universo (y se piensa que hay unos 10^79 de ellos) están en átomos de hidrógeno (que tienen un protón y un electrón). Por supuesto, todos los átomos los tienen, y de hecho son la razón de que exista la tabla periódica.
Como hemos dicho antes, al ser fermiones, los electrones en un átomo no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Si no fuera así, los electrones irían lo más cerca posible del núcleo, donde tendrían menor energía, como una canica en el interior de un cuenco.
Pero, al ser fermiones, es como si el cuenco tuviera “escalones” y los electrones los ocuparan y no dejaran que ningún otro lo hiciera, de modo que según un átomo tiene más electrones tienen que ocupar escalones más y más “altos” y alejados del núcleo - esta estructura es la que da a cada elemento sus propiedades y su lugar en la tabla periódica, aunque por supuesto si es un átomo (neutro) tiene el mismo número de protones que de electrones.
En resumen - un electrón es una partícula elemental, dentro de ellas un fermión, dentro de ellos un leptón, y dentro de éstos el que tiene carga -1 y masa unos 10-30 kg. Su importancia fundamental, en mi opinión, es que son los responsables de los enlaces entre átomos y, por tanto, las reacciones químicas. Sin ellos, el Universo sería un lugar muy aburrido en el que todos los átomos se comportarían más o menos igual y nunca jamás se unirían para formar moléculas…
Espero que el haber empezado con una partícula tan “normal” no haya aburrido a más de uno. Prometo que más adelante nos pelearemos con partículas exóticas, pero quería empezar con una conocida para empezar a disparar nombres “raros” con algo que no fuera “raro”. Si quieres, por cierto, conocer más acerca del descubrimiento del electrón, puedes leer acerca de ello en la entrada sobre el Nobel de Física de 1906, concedido a J. J. Thomson precisamente por este motivo.
El positrón
Un positrón es la “antipartícula” de un electrón. ¿Qué diablos significa eso?
Podría decirte que es una partícula igual pero de carga opuesta, pero (aunque para muchas cosas con eso basta) vamos a intentar ir más allá. Supongamos que tenemos un objeto físico al que llamaremos Pepitín (porque nos da la gana). Pepitín tiene una masa, una carga, unas propiedades, las que sean, y conocemos todas estas propiedades, de modo que (si sabemos dónde y cuándo está Pepitín) podemos escribir ecuaciones que nos digan cómo va a comportarse: cómo se va a mover, qué le va a pasar, etc.
Esto es un poco abstracto, pero espero que te ayude a entender el concepto de “antipartícula”. Bien, el AntiPepitín sería otro objeto físico que se comportaría absoluta y exactamente igual que Pepitín (de hecho, no podríamos distinguirlo de Pepitín al ver cómo se mueve, etc.) si en nuestras ecuaciones cambiamos tres cosas de signo:
Primero, la carga. Es decir, si Pepitín tuviera carga positiva, AntiPepitín la tendría negativa. De modo que si, por ejemplo, hay una carga positiva cerca de Pepitín (que tiene también carga positiva), Pepitín se alejaría de ella (porque las cargas del mismo signo se repelen), mientras que AntiPepitín se acercaría a ella. Fíjate que, si sólo cambiamos esto, AntiPepitín aún no nos sirve, es decir, no es la antipartícula de Pepitín, porque no se comporta igual que Pepitín: podemos saber que no es Pepitín porque debería acercarse a la otra carga, y se aleja de ella.
Segundo, la paridad. Esto no es fácil de explicar muy rápido, pero básicamente quiere decir que, en nuestras ecuaciones, donde poníamos las coordenadas espaciales (x, y, z) ahora las cambiamos de signo igual que hemos hecho con la carga; escribiríamos (-x, -y, -z). Esto es algo parecido a coger la imagen del Universo y “darle la vuelta” (en tres dimensiones no es fácil de ver, pero se puede hacer - prueba a imaginarte el punto (2,2,2) y luego el (-2,-2,-2).
En el caso de AntiPepitín, cambiar la paridad simplemente haría que todo (incluida la otra carga y AntiPepitín) estuviera en posiciones “dadas la vuelta”, lo cual no cambiaría mucho en este caso ni haría que AntiPepitín se comportara igual que lo había hecho Pepitín, porque como sigue teniendo carga opuesta a la otra carga, se acercaría a ella.
Tercero, el tiempo. Éste es el más raro de todos: en nuestras ecuaciones cambiaríamos de signo el tiempo, es decir, haríamos que el tiempo fuera hacia atrás. Dicho de otra manera, si hemos filmado a Pepitín (cambiado de carga y de paridad) con una película, ahora cogemos la película y hacemos que vaya al revés.
¿Ves como ahora sí que AntiPepitín es indistinguible de Pepitín? Como se acercaba a la otra carga, al poner la película “al revés”, se aleja de ella…lo mismo que hacía antes Pepitín. Conjugando la carga, la paridad intrínseca y el tiempo, hemos conseguido la antipartícula de Pepitín.
En algún momento tendremos que volver a estas tres simetrías, porque son muy interesantes y revelan aspectos bastante raros sobre el Universo.
Bien, después de esta disgresión abstracta, volvamos al positrón - ahora deberías entender mejor lo que es. Un positrón, por supuesto, tiene carga eléctrica positiva, pues el electrón la tiene negativa. Pero si entendiste el artículo anterior, ya sabes que esto es arbitrario: sería mejor decir que el positrón tiene carga “opuesta” al electrón.
El positrón, además, siguiendo el convenio de nombres de las partículas, debería llamarse antielectrón, pero como fue la primera antipartícula descubierta y tiene carga “positiva” se le llamó positrón. De hecho, hubo algún proponente de cambiar el nombre al electrón y llamarlo negatrón, que francamente suena mucho más espectacular, pero la idea no caló.
Por supuesto, si has comprendido todo lo de la paridad y el tiempo, ¿cómo sabemos que lo que tenemos alrededor son electrones y no positrones? Tal vez estamos yendo hacia atrás en el tiempo y revertidos en el espacio y son positrones…y en algún otro lugar hay electrones moviéndose hacia delante en el tiempo.
Porque puede mirarse así - para un positrón, el tiempo pasa al revés, y ve al resto del Universo hacer lo contrario de lo que ve un electrón…aunque, por supuesto, una partícula no “ve” nada, pero ¿no es sugerente la imagen?
Cuando un electrón y un positrón se encuentran en el espacio y están en el estado cuántico adecuado, se aniquilan el uno al otro y producen otras partículas. Lo más común es que produzcan dos fotones: como los fotones (a los que dedicaremos su propia entrega) no tienen carga, la carga neta se conserva (la suma de las cargas del electrón y el positrón es cero).
Visto desde el punto de vista de la materia normal (es decir, del electrón), el positrón y el electrón se van acercando hasta que chocan y producen dos fotones, que se alejan de la colisión.
Pero imagina la escena si fueras el positrón, moviéndote “hacia atrás” en el tiempo. Por supuesto, para ti no vas hacia atrás, vas hacia delante, pero todo lo demás hace lo contrario de lo que ve el electrón: dos fotones se van acercando el uno al otro, hasta que chocan, y entonces de la colisión salen dos partículas, un electrón y un positrón, que van alejándose la una de la otra.
¡Ah! podrás decir. Pero como sabemos que lo que ocurre no es eso, sino lo contrario, entonces los electrones son los que van “hacia delante” y los positrones “hacia atrás”.
Pero es que lo contrario también pasa. Hay veces en las que dos fotones dan lugar a un electrón y un positrón….de modo que, ¿cómo sabemos que no estamos yendo nosotros (la materia “normal”, como los electrones y los protones) hacia atrás en el tiempo?
La respuesta, por supuesto, es que no lo sabemos - y que la pregunta no tiene sentido. El sentido del tiempo que “vemos” es el que llamamos “hacia delante”, y punto. Nada cambiaría si todo fuera al revés en lo que concierne a las partículas y antipartículas.
Antes de que pierdas los finos lazos que aún te unen a la realidad cotidiana, vamos a acabar este artículo, pero no sin mencionar que los positrones, en su momento, sonaban a “ciencia moderna” tanto que el genial Isaac Asimov, al inventar los cerebros de sus célebres robots, no pudo menos que llamarlos “cerebros positrónicos”, para que sonaran al “futuro” al usar positrones en vez de electrones.
Por supuesto, un cerebro positrónico dentro de un planeta como el nuestro, lleno de materia normal, sería una bomba de relojería que no querríamos tener cerca, pero eso es lo de menos – de hecho, los positrones se utilizan todos los días en medicina, puesto que la TEP (Tomografía por Emisión de Positrones) se basa precisamente en ellos.
El protón
El protón no es una partícula elemental. Recuerda cómo, al hablar del electrón, ya dijimos que algunas partículas que suelen llamarse elementales no lo son - el protón es una de ellas. Unos párrafos más abajo veremos qué hay “dentro”.
A pesar de que hoy sabemos que el protón no es una partícula fundamental, puede clasificarse igual que hicimos con el electrón, dependiendo de sus características. Una vez más, vamos con nombres exóticos:
Al igual que el electrón, el protón es un fermión, es decir, no puede haber dos protones en el mismo estado cuántico. En otras entradas hablaremos de los bosones, que se comportan de manera muy diferente y son los responsables de las interacciones entre las partículas materiales. Los fermiones son los que componen la materia que conocemos, de ahí que tanto el electrón como el protón sean fermiones.
Además, el protón es un hadrón. Esto quiere decir que se ve afectado por la fuerza nuclear, que es la que mantiene unidos a los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos. Si no fuera por ella, estas partículas nunca estarían juntas (los protones se repelerían por tener carga del mismo signo) y no existirían los átomos. Otros hadrones son los neutrones y los mesones.
Dentro de los hadrones, el protón es un barión, es decir, está formado por tres quarks, como el neutrón…y aquí es donde llegamos a la verdadera naturaleza no elemental del protón.
Aunque dedicaremos una entrada (probablemente la siguiente) a los quarks, baste decir por ahora que un protón se compone de tres quarks (como el neutrón), que le confieren sus propiedades. Los que componen el protón son dos quarks arriba y un quark abajo…sí, suena raro pero ésos son los nombres: recuerda cuando dijimos que la carga “positiva” y “negativa” era arbitraria. Como quarks hay bastantes, hacen falta más de dos nombres y los físicos se han inventado éstos tan imaginativos.
De modo que, si pudieras ver un protón “por dentro”, verías tres quarks unidos unos a otros por la fuerza nuclear fuerte. Si sumas la masa de los tres quarks obtienes, por supuesto, la masa observada del protón, y si sumas sus cargas eléctricas (2/3 de la carga del electrón para los quarks “arriba” y -1/3 para el quark “abajo”) obtienes 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1, es decir, la carga eléctrica del protón (que es opuesta a la del electrón).
Curiosamente, la Teoría de Gran Unificación (que es un modelo teórico que unifica las fuerzas electromagnética y nuclear) predice que el protón no es una partícula estable…debería desintegrarse al cabo del tiempo (el electrón, por ejemplo, es estable de acuerdo con la misma teoría).
Sin embargo, nadie ha visto hasta ahora la desintegración de un protón en otras partículas. De hecho, los experimentos realizados hasta el momento han demostrado que, si el protón al final resulta ser inestable, su vida media debe ser al menos de 1035 años…¡cuatrillones de veces más que la edad del Universo!
De modo que puede que los protones se desintegren, pero que aún no haya dado tiempo a que muchos lo hayan hecho, de modo que no hemos visto a ninguno desintegrarse en otras partículas porque el Universo sea demasiado joven aún…¿no es fascinante?
También puede ser que los protones sean estables y la Teoría de Gran Unificación esté equivocada. De hecho, la otra predicción observable “fácilmente” de la Teoría (los monopolos magnéticos) tampoco ha sido comprobada hasta ahora.
En cualquier caso, recuerda que un protón es una partícula compuesta por tres_ quarks_, es un fermión, un hadrón y dentro de éstos un barión. El protón “siente” todas las fuerzas fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Y, por supuesto, la existencia de los protones es la que hace que existan átomos y nosotros estemos aquí.
La antipartícula del protón es el antiprotón…no hay nombres exóticos en este caso. Y, por si te lo estás preguntando, sí: si coges un antiprotón y lo filmas en una película, le cambias la carga, pones el Universo del revés y luego la película hacia atrás, es indistinguible de un protón. La física fundamental es escalofriante y fascinante al mismo tiempo, al menos para mí. Los antiprotones fueron observados por primera vez en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (quienes, por cierto, recibieron el Premio Nobel en 1959 por ello).
Los quarks
Hemos hablado del electrón, el positrón y el protón. Como recordarás, hablando del último mencionamos que no era una partícula elemental: está compuesto de partículas más sencillas, denominadas quarks. En esta entrada hablaremos de estos misteriosos y escurridizos quarks.
Hacia 1960, varios científicos se estaban ya planteando que ciertas partículas consideradas, hasta entonces, elementales, estaban compuestas de otras más sencillas: Murray Gell-Mann, Kazuhiko Nishijima y Richard Feynman, independientemente, habían descubierto simetrías y observado propiedades de la radiación emitida en la desintegración de hadrones que les sugerían la existencia de una subestructura de éstos.
Murray Gell-Mann denominó a estas supuestas partículas quarks, puede que por aparecer en la novela Finnegans Wake, de James Joyce, en la que tres pájaros lanzan tres gritos (Joyce, al que le encantaban los juegos de palabras, llama a los gritos de los pájaros “quarks” como onomatopeya): Three quarks for Muster Mark! Puesto que en ese momento se conocían tres quarks, y eran cosas “sin sentido”, el nombre acabó calando. Hoy en día conocemos más quarks, pero el nombre se ha mantenido.
Feynman, por su parte, llamó a las supuestas subpartículas partones, por ser “parte de los hadrones”. Finalmente se descubrió que tanto quarks como partones eran lo mismo, y el nombre definitivo fue quarks.
Es interesante notar que, por lo que sabemos, no pueden existir quarks libres. Al menos, no durante mucho tiempo (“mucho tiempo” en física de partículas = muchísimo menos de un segundo). Es decir, siempre están asociados formando otras partículas, como los protones o los mesones, y “pegados” unos a otros mediante otras partículas, de las que hablaremos en otra entrada de la serie, llamadas gluones.
¿Cómo sabemos entonces que existen, si nunca hemos visto uno?. La verdad, seguro, seguro, no lo sabemos. Sin embargo, el modelo de quarks (que describiremos en un momento) no sólo explica muy bien el comportamiento y propiedades de las partículas que se conocían en el momento de proponerlo Gell-Mann y Nijishima - las predicciones del modelo, por ejemplo, de partículas desconocidas en el momento formadas por determinadas combinaciones de quarks, se han ido cumpliendo. De manera que, a pesar de ser partículas inferidas, no observadas directamente, explican lo que conocemos y predicen cosas que no conocíamos, de modo que el modelo está generalmente aceptado.
Además, aunque no hemos visto ninguno directamente, hemos detectado sus “restos”; me explico. Uno de los quarks que describiremos en un momento, el quark “top”, tiene una vida media antes de desintegrarse en otras partículas de unos 10-25 segundos. No sé si te haces una idea de lo minúsculo que es este tiempo: la luz no llegaría a cruzar el núcleo de un átomo en ese tiempo. Pero los científicos han conseguido, haciendo colisionar partículas a grandes energías, producir quarks “top” y luego detectar las partículas en las que éstos se desintegran, de modo que es bastante seguro que el quark estuvo allí.
Los quarks son parte del Modelo Estándar de partículas elementales, aunque hay extensiones del modelo que piensan que…¡están compuestos de partículas más pequeñas! Pero, por ahora, centrémonos en la teoría más ampliamente aceptada, que dice que son partículas fundamentales.
Existen seis quarks diferentes, a los que se han dado nombres arbitrarios: up, down, strange, charm, top y bottom, y por supuesto, sus seis antipartículas (una por cada quark, antiup, antidown…). Tres de ellos (up, charm y top) tienen carga +2/3, y los otros tres (down, strange y bottom) tienen carga -1/3. De este modo, si se tienen, por ejemplo, dos quarks up y uno down, la carga de la partícula resultante será 1, y si se tienen un up, un strange y un bottom, la carga resultante será nula, etc.
Sin embargo, todos los quarks tienen espín 1/2, es decir (si recuerdas la entrada del electrón), son fermiones. Dicho de otra manera, son partículas “individualistas” que no pueden estar en un mismo estado cuántico. Sin embargo, hay partículas compuestas, como el protón, que tienen dos quarks up con la misma carga y el mismo espín…todo es igual, lo cual es imposible.
Los físicos dedujeron de esto que existe otro número cuántico más, es decir, otra propiedad de las partículas, que puede tener tres valores. Llamaron a esta nueva propiedad color, y a los tres posibles valores rojo, verde y azul (porque sí…recuerda la arbitrariedad de la carga, esto es lo mismo). De ese modo, un protón puede tener dos quarks up, pero de diferentes “colores”. Por cierto, esto de los colores (que, desde luego, no tiene nada que ver con los colores de verdad) es lo que da parte de su nombre a la_ cromodinámica cuántica._ El “color” es además el que hace que los gluones tengan a los quarks, dentro de un protón o un neutrón, unidos unos a otros.
Si recuerdas el artículo del electrón, esa partícula era un leptón - no está compuesta por quarks y, por lo tanto, no tiene color. De modo que los electrones no son afectados por los gluones y no sienten la fuerza nuclear que une a protones y neutrones en el núcleo.
De manera que: los quarks son fermiones que siempre se encuentran asociados, no pueden estar solos. Como ya dijimos al hablar del protón, todas las partículas formadas por quarks se denominan hadrones. Existen dos maneras conocidas de combinar quarks, es decir, dos tipos de hadrones: o se tienen dos juntos, o se tienen tres juntos.
Como el espín de los quarks es siempre 1/2 (dirigido hacia “arriba” o hacia “abajo”, o +1/2 y -1/2), entonces puedes entender que cualquier partícula con tres quarks va a ser un fermión, porque sumando y restando 1/2 tres veces puedes tener -3/2, -1/2, 1/2 o 3/2, pero nunca un número entero. Estas partículas formadas por tres quarks, que siempre van a ser fermiones, se denominan bariones. ¿Recuerdas al protón y sus tres quarks?
Por otro lado, cualquier partícula formada por dos quarks va a tener un espín de -1, 0 o 1 (pues sumando o restando 1/2 dos veces, nunca puedes tener una fracción), es decir, va a ser un bosón. Estas partículas formadas por dos quarks, siempre bosones, se denominan mesones. Puesto que los quarks “sienten” todas las fuerzas fundamentales, los hadrones también las sienten, aunque algunos de ellos (como el neutrón) pueden tener una combinación de quarks tal que no se vean afectados, de manera neta, por alguna de ellas.
De modo que los hadrones (es decir, las partículas compuestas por quarks) pueden ser bariones (formadas por tres quarks y por lo tanto fermiones, como los protones y los neutrones) o mesones (formados por dos quarks y por lo tanto bosones). Y podemos “ver” todas estas partículas, pero no los quarks de los que están compuestas, al menos por ahora.
El neutrón
Ya vimos el electrón, el positrón, el protón y los quarks. Hoy seguimos con una partícula más humilde, pero muy interesante (como espero demostrar en breve): el neutrón.
El neutrón es, “por dentro”, muy parecido a un protón. Si recuerdas la entrada sobre el protón, esta partícula estaba formada por dos quarks_ up_ y uno down. Al estar formada por quarks, era un hadrón, y por tener tres quarks era un barión y, por lo tanto, un fermión. Bien, un neutrón es prácticamente igual: también está formado por tres quarks, pero en vez de up/up/down _tiene _up/down/down.
Estructura de quarks de un neutrón
Esta aparentemente minúscula diferencia hace que las dos partículas “hermanas” se comporten de formas muy distintas: recuerda que la carga del protón era +2/3 +2/3 -1/3 = +1. Pero como el neutrón tiene up/down/down su carga es +2/3 -1/3 -1/3 = 0. No tiene carga - no porque no haya nada con carga en él, sino porque las cargas que hay en su interior se anulan.
Esta neutralidad de carga es lo que hizo que el neutrón tardase unos años más en ser identificado que el protón (que fue descubierto en 1918 por Rutherford). Fue James Chadwick (físico inglés), en 1932, quien identificó las partículas desconocidas pero ya observadas por otros como Walther Bothe, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot. De acuerdo con Chadwick, eran algo así como protones de carga neutra (lo cual, por otro lado, no es una mala descripción), de modo que se denominaron neutrones.
Los neutrones sufren las cuatro fuerzas fundamentales del Universo, como los protones: a pesar de no tener carga neta, tienen un momento magnético lo mismo que el protón, de modo que sufren la fuerza electromagnética, la nuclear fuerte, la débil y la gravitatoria. Sin embargo, la fuerza más importante para los neutrones es la fuerza nuclear fuerte, la que mantiene a los quarks unidos en su interior y une a los neutrones con otros neutrones y con los protones en el núcleo de los átomos: puesto que los protones y neutrones son los que forman los núcleos, a las dos partículas “hermanas” se las denomina nucleones.
Sin embargo, como ya dijimos hablando del protón, él es el realmente importante en el núcleo. El neutrón, al no tener carga, no convierte a un elemento en otro: añadir un neutrón al hidrógeno no lo convierte en otra cosa, sigue siendo hidrógeno, aunque tenga propiedades un poco diferentes (por ejemplo, es más pesado). Los átomos de un elemento con diferente número de neutrones se denominan isótopos. Algunos isótopos no son estables, como el Carbono-14, de modo que se usan para medir fechas.
Pero existe otra diferencia entre el protón y el neutrón: dependiendo de qué combinación de quarks forma un hadrón, éste puede ser más o menos estable. Por ejemplo, ya dijimos que un protón libre podría no ser estable, pero de ser inestable su vida media probablemente es mucho mayor que la edad actual del Universo.
Sin embargo, debido a la combinación de quarks que forman el neutrón, un neutrón libre (no asociado al núcleo de un átomo) tiene una vida mucho más corta: unos 15 minutos. Ésa es la razón de que puedas encontrar muchos protones libres en el Universo (núcleos de hidrógeno sin el electrón), pero es muy difícil ver neutrones libres más de unos minutos. Cuando un neutrón se desintegra, lo hace en un protón, un electrón y un antineutrino (del que hablaremos en alguna otra entrada).
Debido a que un neutrón libre sólo permanece como tal durante un cuarto de hora, es difícil disponer de ellos (a diferencia de otras partículas): hay que generarlos según se necesitan. La mayor parte de ellos se obtienen de reacciones nucleares espontáneas de elementos radiactivos, que sufren la fisión de forma natural (como el polonio o el radio), emitiendo neutrones en el proceso.
¡Y los neutrones libres son muy peligrosos! De hecho, es uno de los productos de la desintegración radiactiva más peligrosos que hay. Piensa que otras partículas emitidas en las reacciones nucleares, como los electrones, aunque son peligrosas, son fáciles de parar. Las partículas cargadas, en cuantro entran en contacto con un medio material más o menos denso, empiezan a desviarse (debido a la fuerza eléctrica), a ionizar átomos arrancando electrones que se llevan parte de la energía y se mueven en otra dirección, etc. Es decir, la energía de esas partículas se disipa relativamente rápido.
Por eso, si vas a estar en un lugar en el que puede haber emisión de protones o electrones, un recubrimiento de plomo es una protección muy buena. De hecho, al ser un metal también absorbe muy bien los fotones, de modo que protege contra muchas clases de emisiones radiactivas (alfa, beta y gamma). Pero, _¿y los neutrones? _
Al ser neutros, la única manera de que pierdan su energía es que choquen de cabeza con el núcleo de otro átomo. Por lo tanto, la protección contra neutrones requiere un espesor relativamente grande: y además, la masa atómica del núcleo de los átomos no influye mucho en su capacidad para pararlos, pues los núcleos son tan minúsculos comparados con el espacio entre ellos que un aumento de tamaño (por ejemplo, plomo en vez de hidrógeno) apenas influye. La mayor parte de los escudos contra neutrones son paredes espesas de cemento o parafina.
Por supuesto, la mayor parte de los neutrones que puedan llegar a tu cuerpo te atraviesan, pero tú también actúas de “escudo”: y cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de una base nitrogenada de tu ADN…bueno, las consecuencias pueden ser muy desagradables, salvo que la dosis no sea muy intensa y sea breve, y además tengas suerte.
Es decir, que los neutrones son partículas algo anodinas cuando están en el núcleo de un átomo, pero si están libres tienen una vida relativamente corta y que puede ser peligrosa….y todo por tener un quark down en vez de uno up.
Hemos hablado del electrón, el neutrón y el protón, como puedes ver hemos acabado con las partículas que componen la materia corriente. Pero hay muchas otras de enorme interés pero menos comunes - por el hecho de ser inestables o por el de ser indetectables, o por el hecho de no formar materia sino ser las responsables de interacciones. En la próxima entrada hablaremos del primer bosón de la serie, probablemente el más famoso - el fotón.
El fotón
¿Qué partículas hemos estudiado hasta ahora? este es un pequeño diagrama para no perderse en las procelosas aguas de las partículas subatómicas. Ampliare el diagrama según añada partículas a la serie, y lo publicare en cada partícula.
Diagrama de partículas subatómicas
Todas las que hemos descrito eran fermiones, es decir, partículas con espín semientero, lo cual significa que no puede haber dos en el mismo estado cuántico. Los fermiones son los constituyentes de la materia, de modo que todo lo que hemos estudiado hasta ahora son partículas “materiales”.
Empezamos con un leptón, el electrón, que es una partícula fundamental, y su antipartícula, el positrón. Recuerda que los leptones son aquellos fermiones que no experimentan la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, no están presentes en el núcleo de los átomos.
Además del electrón, hemos estudiado otra partícula elemental - el quark (en sus varios “sabores”). Los quarks sí experimentan la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, las partículas hechas de quarks sí pueden estar en los núcleos atómicos. Recuerda que los quarks no pueden estar solos más que unos instantes: se encuentran asociados formando partículas compuestas llamadas hadrones. Pueden estar en grupos de dos (bosones llamados mesones) y de tres (fermiones llamados bariones).
En la serie hemos hablado de dos de estos bariones (grupos de tres quarks): el protón, que tiene carga positiva, y el neutrón, que tiene carga neutra. Estas dos partículas forman el núcleo de los átomos y por lo tanto se denominan nucleones.
Hoy vamos a hablar de otra partícula elemental (no compuesta, que sepamos, de otras partículas más simples): el fotón.
El nombre de “fotón” es unos veinte años posterior a la predicción teórica de la existencia de esta partícula, propuesta por Albert Einstein en 1905.
A finales del siglo XIX, las Ecuaciones de Maxwell explicaban de una manera extraordinariamente elegante y coherente todos los fenómenos eléctricos, magnéticos y de radiación electromagnética… casi perfectamente.
De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la luz (por cierto, a lo largo de este artículo voy a emplear “luz” en vez de “radiación electromagnética” aunque no sea sólo luz visible; es más corto) era una onda. Esto concordaba con diversos experimentos anteriores, como la existencia de interferencia y difracción demostradas por Young y otros. La energía que llevaba, por ejemplo, un rayo luminoso, era dependiente de su intensidad. Es decir, si yo tengo una linterna con una bombilla poco potente y otra con una bombilla más potente, la energía de la segunda es mayor que la de la primera y eso es lo único que determina los procesos involucrados con la luz.
Sin embargo, había cosas que no encajaban. Esas cosas llevarían al desarrollo de la Física Cuántica, pero no vamos a ir por ahí en esta entrada porque no es su propósito. Centrémonos en un experimento concreto: el efecto fotoeléctrico. Se sabía ya en aquel momento que, si se tiene una pieza de cierto metal y se ilumina, a veces la luz arranca electrones del metal (produce electricidad a partir de luz, de ahí el nombre del efecto).
Lo lógico sería que, si tengo un trozo de metal y lo ilumino con una linterna y observo que no pasa nada, pueda hacer que sí que se produzca el efecto añadiendo energía: con una linterna más potente. Sin embargo, esto que parece tan lógico no ocurre. Y el hecho de que no ocurriera, que por potente que fuera la bombilla, si no producía el efecto nunca jamás podría producirlo, era algo que perturbaba a los físicos de la época profundamente.
Los científicos observaban algo que no podían explicar: si se ilumina el metal con una luz (por ejemplo) roja y no se produce el efecto fotoeléctrico, aunque multiplique la potencia de la bombilla por un millón, del metal no sale ni un solo electrón. Pero si, por ejemplo, con una bombilla de luz azul sí que se arrancan electrones, por muy poco potente que sea la bombilla siguen saliendo electrones: cuanto menos potente es la bombilla, menos electrones salen, pero salen.
Einstein dio una explicación muy elegante y sencilla, ampliando la idea de Planck de la cuantización de la energía: la luz, según Einstein, estaba formada por partículas puntuales llamadas “cuantos de luz”. Estas partículas tenían una determinada energía que dependía únicamente de la frecuencia de la luz (cuanto mayor frecuencia, mayor energía de cada cuanto), de modo que los cuantos de luz azul tenían más energía que los de luz roja. Cuando una bombilla es muy potente, es porque emite muchos cuantos luminosos, pero la energía de cada uno sigue siendo la que corresponde al color - de ahí que el efecto fotoeléctrico no dependa de la potencia de la bombilla sino del color de la luz.
De modo que si una bombilla de luz roja no produce efecto fotoeléctrico es porque cada cuanto luminoso no tiene suficiente energía: por mucha potencia que tenga (por muchos cuantos que transporte), como cada uno choca con un electrón y no tiene suficiente energía, no pasa nada. Sin embargo, si la linterna es de luz azul y sí produce el efecto, aunque tenga poca potencia, los pocos cuantos luminosos que hay arrancan, cada uno, un electrón. Visto así, todo encaja.
Esta explicación de los “cuantos de luz”, escrita por cierto el mismo año que su artículo sobre el Movimiento Browniano, y también su Teoría de la Relatividad Especial (¡menudo año!), valió a Einstein el Premio Nobel de Física en 1921, e impulsó el desarrollo de la física cuántica que tanto disgustaría al genial físico. En 1926 se adoptó para la partícula el nombre de “fotón”, propuesto por Gilbert N. Lewis y que viene del griego “luz”, combinado con la terminación -on que se había usado para el electrón: de modo que un fotón es una “partícula de luz”.
Esto no quiere decir que todo estuviera claro - considerando la luz como compuesta de partículas, y no como una onda, se explicaban muy bien cosas como el efecto fotoeléctrico…¿pero y la difracción? Eso sólo podía ser explicado si la luz es una onda, no partículas. ¿Entonces? La solución estaría más adelante, en la física cuántica y la dualidad onda-corpúsculo de la luz, de la que hablaremos en algún otro momento.
El fotón, dentro del Modelo Estándar de partículas, es un bosón - es decir, tiene espín entero (en el caso del fotón, 1), lo cual quiere decir que no es un constituyente de la materia, sino un intermediario de las interacciones entre partículas. Además, los fotones, al ser bosones, pueden estar en el mismo estado cuántico, lo cual significa que puede haber muchos fotones “haciendo exactamente lo mismo”. De ahí que se pueda tener un láser de fotones, pero no un láser de, por ejemplo, electrones.
Además, el fotón tiene otras características que lo hacen muy interesante: no tiene carga eléctrica, de modo que no siente la fuerza electromagnética. No tiene masa, por lo que durante cierto tiempo se pensó que no sentía la fuerza gravitatoria (la Teoría de la Relatividad General de Einstein cambió eso, y hoy sabemos que sí la siente, de ahí la existencia de los agujeros negros).
Si no tiene ni carga ni masa, realmente, ¿qué hay en un fotón? Dicho rápido y mal: energía y momento de determinadas características. Un fotón lleva energía, que puede transmitir a un átomo, por ejemplo, al chocar con él. Cuando la luz del Sol calienta tu cuerpo, lo que ocurre es que los fotones que llegan hasta ti hacen vibrar tus átomos más rápido, calentándolos.
Además, un fotón tiene momento lineal, es decir, es capaz de empujar cosas - esto se puede comprobar con relativa facilidad (por ejemplo, mediante experimentos del Efecto Compton) y, de hecho, algunos diseños de naves espaciales utilizan “velas” empujadas por un láser. Pero, además de energía y momento, un fotón representa cierto orden - dos fotones de frecuencias (“colores”) diferentes no tienen la misma energía ni el mismo momento, de modo que puedes tener una cantidad de energía (o momento) determinada con pocos fotones de gran frecuencia, o con muchos fotones de poca frecuencia.
Además de ser los componentes de la radiación electromagnética (la luz visible, las ondas de radio, las microondas, los rayos X, los rayos gamma, etc.), los fotones son los responsables de la interacción electromagnética: de acuerdo con la teoría cuántica, siempre que dos partículas interaccionan debido a la fuerza eléctrica o la magnética, intercambian fotones. Por lo tanto, sabemos que si tenemos dos cargas en el espacio y se repelen, no lo hacen instantáneamente. Los fotones responsables de la repulsión tienen que viajar de una carga a la otra a la velocidad de la luz.
Los fotones viajan siempre, en el vacío, a la velocidad de la luz (¡de ahí el nombre de la velocidad!). Si recuerdas los artículos sobre la Relatividad sin fórmulas, esto hace que, si tú fueras un fotón (échale imaginación), el Universo sería muy, muy raro…En primer lugar, el tiempo no pasa para ellos, literalmente. El tiempo subjetivo que experimentarías desde ser emitido por un átomo hasta ser absorbido por otro, aunque estuviera a cien millones de años-luz del primero, sería 0. La distancia que recorrerías entre los dos átomos medida por ti mismo, debido a la contracción de la longitud, sería exactamente…0. Para ti, el Universo sería algo que no podrías experimentar, y para los demás, si te viéramos “desde fuera”, estarías “congelado” durante toda tu existencia: un fotón no puede experimentar ningún cambio desde que se emite hasta que desaparece de nuevo.
Otro efecto interesante de los fotones es que, a pesar de no tener masa, sí modifican la masa de un sistema que los emite o los absorbe: una vez más, de acuerdo con Einstein, la equivalencia entre masa y energía hace que, si emites un fotón, pierdas algo de masa (la energía del fotón emitido proviene de esa pérdida de masa), y al revés. Por supuesto, la pérdida o ganancia de masa es minúscula y, cuando el Sol te calienta, no notas que peses más.
De manera que el fotón, que es el bosón más famoso, es el constituyente de la radiación electromagnética y es el intermediario de la interacción eléctromagnética. Algunos tienen vidas muy largas (medidas “desde fuera”, claro), por ejemplo, los emitidos por una estrella que viajan durante miles de millones de años por el espacio. Otros, como los que está emitiendo tu cuerpo ahora mismo por el hecho de tener temperatura (fotones infrarrojos) tienen vidas muy cortas: si la pared de la habitación en la que estás está a un par de metros de ti, sólo tardan unos 0,00000001 segundos en desaparecer de nuevo.
Por cierto, en la entrada del neutrón hablamos de lo peligrosos que eran los neutrones libres - los fotones también pueden serlo. Los fotones infrarrojos ya pueden ser muy dañinos si la intensidad es grande, pues pueden quemarte (cuando notas el calor en la cara mirando una chimenea de frente, estás notando fotones infrarrojos), lo mismo que los de microondas. Pero llega un momento en el que un fotón tiene tanta energía que no hace falta una gran intensidad para dañarte: a partir de los fotones ultravioletas, cada fotón tiene tanta energía que puede “descolocar” los ácidos nucleicos de tu ADN, provocando un cáncer. Ése es uno de los peligros de la radiación gamma (que tiene aún más energía que los rayos X, que también pueden provocar cáncer).
Pero, duraderos o efímeros, peligrosos o inocuos, gran parte de los cambios en el Universo se deben a ellos - piensa que todas las reacciones químicas se deben a interacciones eléctricas (es decir, intercambio de fotones). Lo mismo con las fuerzas que hacen que andes, que empujes las teclas del ordenador, que los electrones se muevan por el cable, que puedas respirar (reacción química), que pienses…¡fotones por todas partes! Sin embargo, como un fotón típico de luz visible tiene unos 0,0000000000000000001 Julios, no somos conscientes de que están ahí como partículas individuales.
Si recuerdas, cuando hablamos del neutrón dijimos que un neutrón libre se desintegra al cabo de unos 15 minutos en un protón, un electrón y un antineutrino.
El neutrino
Continuamos hoy con nuestro viaje por el intrincado mundo de las partículas subatómicas (muchas de ellas elementales, otras mal llamadas así). Entre esas maravillosas partículas hemos estudiado hasta ahora el electrón, el positrón, el protón, el neutrón, los quarks y el fotón. Hoy continuamos la serie con una partícula fantasmal y fascinante: el neutrino.
Diagrama de partículas elementales Todas las partículas elementales vistas hasta ahora en esta serie, incluido el neutrino.
Podrías pensar, ¿y a mí que me importa el neutrino? ¿tiene que ver algo conmigo? _Muchas veces lo vemos como algo muy lejano, algo estudiado en aceleradores de partículas enterrados bajo el suelo…pero los neutrinos están muy cerca de ti. Mejor dicho, los neutrinos están dentro de ti: _cada segundo te atraviesan, aproximadamente, doscientos billones de neutrinos. Sí, has leído bien: durante el tiempo que lees cada palabra de esta frase te atraviesan unos 200.000.000.000.000 neutrinos. ¿Quieres saber por qué? Pues sigue leyendo.
En 1930, la desintegración beta, por la cual un neutrón libre (recuerda la entrada sobre él), pasados unos 15 minutos de media, se desintegra en un protón y un electrón, se conocía relativamente bien. Sin embargo, algo no encajaba: los principios de conservación de la energía y la cantidad de movimiento no se cumplían. Dicho de otra manera: la energía y la cantidad de movimiento del neutrón eran más grandes que las de el protón y el electrón producidos. Sin embargo, ninguna otra partícula se observaba.
Wolfgang Pauli (al que tendremos que dedicar alguna entrada en El Tamiz) propuso una posible solución: en la desintegración beta se estaba produciendo alguna otra partícula. Una partícula fantasmal, que los científicos no podían ver, pero que se llevaba la energía y el momento que faltaban en la reacción. Esta partícula debía tener una masa minúscula o no tener masa, y no tenía carga.
Fue el genial Enrico Fermi quien dio nombre a tan elusiva partícula. En italiano (idioma de Fermi), el neutrón se llama “neutrone”, y el sufijo -one (como el castellano -ón) suele indicar algo muy grande. Como la nueva partícula no tenía carga, era muy difícil de ver y probablemente no tenía masa, era una “partícula muy pequeña sin carga”, algo como un “mini-neutrón”….en italiano, un neutrino. Al ver “neutrino” no parece tan gracioso, pero imagina si se hubiera traducido al español. Tendríamos el neutrón y … el neutrín. Este Fermi…
Al ser una partícula tan fantasmagórica, pasarían 26 años desde que Pauli la propusiera hasta que, finalmente, pudiera ser detectada: en 1956, un equipo de científicos pudo anunciar que los neutrinos, efectivamente, existían. Por cierto, ese descubrimiento les supuso el Premio Nobel, algo retrasado, en 1995.
El neutrino es un_ leptón_, como el electrón: recuerda que un leptón es un fermión que no siente la fuerza nuclear fuerte, la responsable de unir a los protones y neutrones en los átomos. Pero, a diferencia del electrón, el neutrino ni siquiera siente la fuerza electromagnética, porque no tiene carga. Las únicas interacciones de las que es capaz son la gravitatoria (que es muy débil) y la nuclear débil (que es la responsable, por ejemplo, de la desintegración beta que produce los neutrinos).
Por lo tanto, un neutrino suele atravesar cantidades gigantescas de materia sin interaccionar con ella: tiene que, por ejemplo, golpear un protón “de cabeza” para producir un neutrón y un positrón. Pero claro, las probabilidades de que eso ocurra son minúsculas, de modo que los neutrinos son muy difíciles de detener y detectar. Por otro lado, la buena noticia es que, aunque no se pueden parar, esa propiedad hace también que no sean peligrosos en absoluto, ya que pasan a través de nosotros sin interaccionar con la materia que nos forma. Como hemos dicho antes (luego explicaremos por qué), billones de neutrinos te atraviesan todo el tiempo y tú, tan fresco.
No mucho después de descubrirse experimentalmente que los neutrinos existen, se descubrió que no hay un neutrino, sino tres: uno asociado al electrón y otros dos asociados a otros dos leptones (el muón y el tauón, de los que hablaremos más adelante en la serie). Cada neutrino puede tomar parte en las reacciones nucleares en las que aparece su leptón particular. Por lo tanto, no basta con decir “neutrino”, sino que hay que especificar: existe un neutrino electrónico, un neutrino muónico y un_ neutrino tauónico_. Por ejemplo, en la desintegración beta se produce un electrón, de modo que el neutrino que ahí toma parte tiene que ser un neutrino electrónico.
Además, el neutrino tiene una antipartícula, el antineutrino. De hecho, hoy sabemos que la partícula que propuso Pauli para explicar la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón no es un neutrino: es un antineutrino electrónico.
Los neutrinos se producen de muchas formas: por ejemplo, cuando cuatro protones se unen para formar un núcleo de helio en la fusión nuclear, dos de ellos se convierten en neutrones, de modo que emiten neutrinos electrónicos (además de otras cosas). Esos neutrinos son los que produce el Sol, y son muy interesantes: otras partículas y la radiación emitidas dentro del Sol tardan muchos años en salir de él, por su enorme densidad. Pero los neutrinos ni se enteran: salen disparados del Sol como si no hubiera nada en su camino (bueno, casi). De modo que hay muchos, muchos neutrinos atravesando la Tierra todo el tiempo, procedentes del Sol.
Cada centímetro cuadrado recibe unos setenta mil millones de neutrinos por segundo. Eso quiere decir que en la Tierra entran unos 90.000.000.000.000.000.000.000.000.000 neutrinos cada segundo…una de esas cifras difíciles de asimilar. Pero claro, pasan a través de la Tierra casi sin enterarse: aunque algunos, siendo tantos, sí que golpean algún nucleón y desaparecen. Pero, para que te hagas una idea de qué difícil es pararlos:
Supongamos que queremos construir una barrera que detenga la mitad de los neutrinos solares que llegan a una habitación, por ejemplo, con una pared de plomo. ¿Cómo de gruesa tendría que ser la pared? Pues…tendría que tener un año-luz de grosor. No tengo palabras.
Los neutrinos también se producen en la fisión, tanto la artificial (en las centrales nucleares) como la natural. Vamos, que hay neutrinos por todas partes, unos con más energía y otros con menos. Algunos tienen muchísima: por ejemplo, los producidos en una supernova, cuando las reacciones nucleares se aceleran muchos órdenes de magnitud. De hecho, ésa es una de sus utilidades más grandes: en una supernova la densidad es tan gigantesca que recibir información de lo que pasa dentro es muy difícil…pero los resbaladizos neutrinos se escapan sin problemas y podemos detectarlos desde aquí.
Por cierto, hemos dicho que tienen muy poca masa o no tienen nada: al principio se pensaba que no tenían absolutamente nada de masa. Sin embargo, hoy sabemos que sí la tienen, pero es muy pequeña - menos de la diezmilésima parte de la del electrón. El neutrino es, efectivamente, un neutrín (salvo que no sufre la fuerza nuclear fuerte, claro, o los tendríamos dentro de los núcleos con los protones y los neutrones).
Dejamos ahora los dominios de las partículas más conocidas para adentrarnos en aguas menos exploradas
El muón
Hemos hablado ya del electrón, el positrón, el protón, el neutrón, los quarks y el fotón y el neutrino. Hoy continuamos hablando de una partícula poco conocida: el muón.
Por si no te acuerdas de lo que hemos visto, aquí tienes el diagrama actualizado con todas las partículas que hemos tratado hasta ahora, incluída la de hoy:
En 1936, el físico Carl Anderson estaba estudiando los rayos cósmicos y catalogando las partículas detectadas. Todas ellas encajaban con las conocidas hasta el momento… excepto una. Anderson observó una partícula de carga negativa, como el electrón, pero mucho más pesada (unas doscientas veces más). Pero ésta no era la primera partícula descubierta por el físico americano - en 1932 ya había descubierto el positrón (dato que desgraciadamente no mencioné en aquel artículo, pero que añadiré cuando la serie esté completa). De hecho, en 1936 recibió el Premio Nobel por descubrir el positrón…y ese mismo año descubrió una nueva partícula.
Al principio, Anderson pensaba que había descubierto una partícula propuesta teóricamente por Hideki Yukawa, el pión (que ya caerá en nuestras fauces más adelante en la serie). Sin embargo, las propiedades de esta misteriosa partícula no coincidían con las del pión. Los físicos estaban desconcertados. El físico Isidor Isaac Rabi, según otros colegas, exclamó “¿Quién ha pedido eso?” en un restaurante, refiriéndose a la nueva partícula.
Sin embargo, ésta era únicamente la primera de una serie de muchas partículas que se irían descubriendo en no demasiados años y que habría que intentar hacer encajar en algún armazón teórico - vamos, un problema. Willis Lamb, otro físico, llegó a decir que “el descubrimiento de una nueva partícula solía ser recompensado con un Premio Nobel, pero a partir de ahora debería ser castigado con una multa de $10.000”.
La partícula recién llegada cambiaría varias veces de nombre. Al principio, puesto que era más pesada que el electrón pero más ligera que el protón, se llamó a la nueva partícula mesotrón, utilizando la raíz griega meso-, “medio”, al estar su masa entre las de las otras dos partículas. Sin embargo, más adelante se descubrieron otras partículas con masa intermedia entre el electrón y el protón, y a todas se las llamó mesones. Para distinguir a ésta de las otras, se la denominó mesón μ (mesón mu), por la “m” griega, ya que había sido la primera partícula “media”.
Pero este nombre también se dejó de utilizar: el mesón μ era distinto de todos los demás en un aspecto muy importante, entre otros - era una partícula elemental, y los otros no. Al final se definieron los mesones como hemos hecho en esta serie, como hadrones formados por dos_ quarks, de modo que el mesón μ no era realmente un mesón, además de no ser tampoco un _bosón como los otros mesones. La “partícula mu” acabó llamándose muón…al menos, por ahora.
El muón es una partícula elemental, es decir, no está formada (que sepamos) por nada más simple, igual que, por ejemplo, el electrón. Tiene espín semientero, es decir, es un fermión, lo mismo que el electrón. No siente la fuerza nuclear fuerte, de modo que no puede formar parte del núcleo de los átomos. Si eres un fiel lector de esta serie, sabes cómo se llama un fermión que no siente la fuerza nuclear fuerte: es un leptón, como el electrón. De hecho, tiene incluso la misma carga que el electrón (su antipartícula, el antimuón, tiene carga positiva, como el positrón).
Pero, ¿en qué se diferencia entonces del electrón? ¡Casi todo es igual! Existen dos únicas diferencias entre ellos, una relativamente importante y otra fundamental. La primera diferencia, que ya hemos mencionado, es la masa: el muón es unas doscientas veces más pesado que el electrón. La segunda es que, a diferencia del electrón, el muón no es estable. ¿Recuerdas el neutrón libre y su vida media de quince minutos? Los muones son muchísimo más fugaces: su vida media es de tan sólo 2 microsegundos. Por eso no vemos muones por todas partes, y por eso en los átomos hay electrones y no muones: el muón es algo así como un súper-electrón inestable. Por cierto, cuando se desintegran suelen hacerlo en un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico, como puedes ver en el siguiente diagrama de Feynman:
Por si te lo estás preguntando, sí, la masa del muón es mucho mayor que la de las partículas resultantes, de modo que éstas tienen una enorme energía cuando son creadas. La otra partícula que ves en el diagrama, además del muón, el electrón y los neutrinos, es un bosón W que aparecerá más adelante en la serie.
¿De dónde salen los muones? Pues no de muchos sitios: para crear un muón hace falta una gigantesca cantidad de energía. De hecho, no existe ninguna reacción nuclear en la Tierra que produzca muones. Los únicos que hay cerca de ti (y sí que los hay, aunque no demasiados) son los que se producen cuando los rayos cósmicos alcanzan la atmósfera. Los rayos cósmicos están compuestos en gran parte por protones de mucha, muchísima energía. Tanta que, cuando chocan con los núcleos de los átomos de la atmósfera, producen lluvias de partículas exóticas, como los piones propuestos por Yukawa. Estos piones duran muy poco tiempo y, tras recorrer tan sólo unos metros, se descomponen en muones y neutrinos.
Podrías pensar que esos muones, producidos en las capas más altas de la atmósfera (a muchos kilómetros del suelo) y con una vida media de sólo 0,000002 segundos, nunca jamás podrían llegar al suelo - y te equivocarías, porque no estarías teniendo en cuenta los efectos relativistas. Si eres asiduo lector de El Tamiz (y si estás leyendo este artículo probablemente lo eres) conoces la serie de Relatividad sin fórmulas: los muones producidos por los rayos cósmicos van tan deprisa que los vemos “en cámara lenta” y son capaces de llegar mucho más lejos de lo que cabría esperar sin la relatividad: deberían desintegrarse tras recorrer sólo unos 600 metros pero, sin embargo, recorren decenas de kilómetros hasta llegar al suelo antes de desaparecer. De hecho, cosas como ésta son una prueba de que la Teoría de la Relatividad Especial no es una “ilusión óptica”: los muones, cuando van muy rápido, viven más de lo que deberían.
Los muones que nos llegan son, en teoría, peligrosos. Piensa que la radiación beta, formada por electrones muy energéticos, es muy peligrosa. Bien, esto es como “súper-radiación beta”…¡menudos pedazos de electrones! Pero, por otro lado, la cantidad de muones producidos en la atmósfera es muy pequeña, de modo que los muones forman parte de lo que se llama “radiación ionizante de fondo”…vamos, lo normal. Esto no quiere decir que si un muón te llega no tenga ninguna posibilidad de producirte, por ejemplo, un cáncer, pero la cantidad de ellos es suficientemente pequeña como para que esta probabilidad sea minúscula.
Los científicos, por supuesto, no quieren depender de la aleatoriedad de los rayos cósmicos y su entrada en la atmósfera para producir muones: los crean ellos mismos. Aceleran hadrones a grandes velocidades y los hacen chocar con otros hadrones, con lo que producen piones que se desintegran y así se obtienen los muones a discreción.
Si tienes imaginación, puedes hacerte la siguiente pregunta: Si los muones son súper-electrones, ¿podrían formar átomos como los electrones, aunque fueran átomos de muy corta vida? Pues sí. De hecho, estos átomos existen (durante mucho menos de un segundo, pero bueno). Por ejemplo, un protón con un muón (en vez de un electrón), es una especie de hidrógeno con más masa…algo así como un isótopo del hidrógeno de muy corta vida, que los físicos llaman muonio, y tiene incluso símbolo, Mu. Estos átomos exóticos duran lo mismo que los muones, claro, de modo que no vas a ver muonio por ahí, pero se utiliza en algunas técnicas espectroscópicas.
De manera que el muón es una partícula fugaz, muy parecida al electrón pero más pesada, y fue la primera de las partículas inestables en ser descubierta. Puede que no esté por todas partes como los electrones o los neutrinos, pero es muy importante, sobre todo por el sopapo que supuso para los físicos cuando les abrió los ojos ante la cantidad de partículas que no habían pensado que podrían existir.
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