Esas maravillosas partículas. Parte 4

Hace aproximadamente dos meses se inició el punto que se convirtió en camino. Hablo de la oportunidad en que, ya sabemos, todo futuro físico de partículas, interesado en la ciencia, ferviente lector de la física online, admirador de la cuántica de partículas, amante de la terminología extravagante,exagerado maníaco a los dolores de cabeza, proto-científico de computadora, apasionado lector de las historias subatómicas mal explicadas, desafortunada alma aburrida de la cotidaneidad de la vida, o desesperado alumno en busca de respuestas para su trabajo práctico se topa con ese universo perturbador, repleto de esas pequeñas maravillas que extrañamente pasaron desapercibidas por nosotros, pero que, vaya sorpresa, forman todo lo que vemos y también, no te asustes, lo que no vemos.




Paciente lector taringuero, el día de hoy te presentaré el cáliz de fuego de la saga de las partículas. Si no sabes de lo que hablo, es porque mi Protego Totalum no funcionó correctamente y dejó pasar a las personas equivocadas (?). Alejándonos de las tonteras, les presento la cuarta entrega de la física de partículas, pero la física de la buena: La que hace pensar, imaginar y, quizá, hasta emocionar. Vamos que nada de eso es cierto, o por lo menos no en mi post.

Antes de comenzar o continuar con cualquier explicación, tengo que dar dos aclaraciones, ya comunes para mis más añejos lectores. La primera de ellas, el texto colorido de siempre, hoy con más color:



En la segunda nota del día, otra cosa que a algunos les parecerá re-quoteado:
Gente con falta de atención, ésta es la ¡cuarta parte! de mis abominables explicaciones sobre partículas tanto familiares como no tanto. Confío que si estás leyendo esto sos lo suficientemente inteligente como para poder entender todo lo que diré, pero no puedo confiar que lo que dije en las partes anteriores todavía sigue fresco en tu mente. Así también quiero creer que posiblemente eres nuevo en cuanto a éstos post, y no estás enterado de lo que publiqué hace unos días. A esos humanos recién iniciados o a cualquier lector deseoso de arruinar su precioso tiempo les indico que si quieren leer cualquiera de las partes anteriores cliqueen en la imagen correspondiente:






Bien, con todo lo que he dicho hasta el momento el post debería ser incluido en cualquier sección menos en la de Ciencia y Educación, principalmente porque esas imágenes de números fueron sacadas de páginas de astrología. Dejemos las idioteces y las pseudociencias detrás y comencemos a hacer trabajar nuestra memoria:

Como espero que recuerdes, en las tres partes anteriores de esta saga de posts hemos hablado de muchas partículas, exactamente de 15 partículas; que en realidad se hacen muchísimas más si contáramos todos los tipos de neutrinos, gluones, quarks, hiperones y demás. No es nada extraño que te diga que hay alrededor de 100 partículas (si no me equivoco), todas de ellas bien clasificadas taxonómicamente. Si los caracteres me alcanzan, hoy entenderás que cuando dije 100 partículas estaba redondeando 'para abajo'. Muy 'para abajo'.

Antes de comenzar a parlotear, debo indicarte que todo lo que diga está mucho más allá del ya estudiado Modelo Estándar. Todo lo siguiente está, obviamente, basado en ese Modelo, pero sus conclusiones no se aplican a él. ¿Porqué? Por algo que ya sabés: El Modelo Estándar es un borrador. Y lo demás es anexo.

¡Hora de zambullirse en el post! Cómo supongo que recordarás, el prisionero de Azkaban de esta sucesión de post terminó con gusto a bosón de Higgs, una partícula por el momento hipotética y altamente codiciada. Espero que entiendas que no es la única partícula "importante" y que todavía sigue siendo hipotética, sino que, claramente, hay varias más. Por ejemplo, los bosones X e Y

Si queremos dar un resumen extremadamente sintético y también poco riguroso podemos decir simplemente que los bosones X e Y son familiares de los bosones W y Z, que, te recuerdo, son los responsables de la interacción débil. Pero todavía permanece una duda importantísima: ¿Para qué cuernos sirven? Aquí es dónde la cosa se pone realmente interesante.




Como sé que sos un lector paciente y te gusta la física mal explicada, voy a comenzar con mis aberrantes explicaciones mucho antes de lo que debería. Y cuando digo "antes", significa literalmente "con cosas que no tienen nada que ver pero que para el autor son importantes":

Como verás, el objetivo número uno de los científicos especializados en mecánica cuántica, física de partículas o relatividad es lograr una teoría científica que trate de explicar todos, o mejor dicho, la mayoría de los fenómenos científicos; muchos de ellos interesantísimos: singularidades, agujeros negros, creación del universo, bariogénesis/leptogénesis... Y así sucesivamente. Lo que sucede es mucho más complicado de lo que se piensa. Quiero decir, no es que la relatividad einsteniana (que explica la gravedad) y la mecánica cuántica (que explica la electrodinámica cuántica/electromagnetismo, la cromodinámica cuántica/interacción fuerte y la interacción débil) sean incompatibles. De hecho, ya se ha logrado el armazón matemático de una teoría que une las cuatro fuerzas. Eso es lo simple, lo complicado viene después: Si bien pudimos unir rústicamente las 4 interacciones fundamentales en una sola, eso no significa que se haya cumplido el objetivo de los científicos, que es explicar esas curiosidades de las que te hablé (big bang, agujeros negros, etc). En resumen: Tenemos una proto-teoría, pero que está "mal".

¿Porqué "mal"? Veamos, los científicos se encontraron con ciertos problemas matemáticos a la hora de unificar las cuatro interacciones, así que hicieron lo que todo el mundo haría: "Bueno, eh, yo propongo que marquemos ciertos límites y vemos que sale". ¿Límites? Claro. Trataron de "encerrar" el universo entre ciertas variables, dentro de las cuales se aplicaría la teoría. Por ejemplo: pusieron como límite inferior a la longitud de Planck y como límite superior a la energía de Planck. Por si no lo sabes, la longitud de Planck es una distancia tan pequeña que si la definiéramos como "minúscula" sería inapropiado. Y, claro, la energía de Planck es una unidad energética tan enorme que, lo mismo que antes, llamarla "monstruosa" es ridiculizarla.

¿Y porqué tanto drama con los límites? Porque los fenómenos más interesantes suceden fuera de los límites que nosotros propusimos; por ejemplo, la energía liberada en el Big Bang es varias veces mayor que la energía de Planck. ¿Ves a lo que quiero llegar?




No, no. Aquí no aparecen los bosones X e Y como respuesta a nada. Todavía falta historia por analizar. Volviendo al tema de los límites, centrémonos en el más importante para nosotros como ciber-físicos de partículas, es decir, el asunto de la energía. ¿Qué sucede a altas energías? Según muchas teorías, algo realmente motivador: Las interacciones fundamentales se reúnen en una sola. Por ejemplo, ¿recuerdas la teoría electrodébil? Pues bien, los físicos que formularon esa teoría (que funciona excepcionalmente bien) supieron que la interacción débil y el electromagnetismo se convertían en la misma fuerza bajo ciertas condiciones de energías (inalcanzables para un humano pero no para el LHC) y lo aplicaron en su teoría.

Ahora, claro, el siguiente paso sería unir a esa teoría la interacción fuerte y, obviamente, ya se han calculado los estándares de energía en los cuales se sospecha que las tres teorías se unifican: Un billón de TeV. Para que te hagas una idea, el LHC llega hasta los 7 TeV. ¿Para qué preocuparnos si simplemente podemos llegar a límites energéticos casi un billón de veces inferiores? ¿No sería irrelevante preocuparnos por algo tan ajeno? Pues, si nuestro objetivo es explicar el universo como es, entonces tiene toda la puta importancia del mundo.

Si, está bien, esas energías escapan tremendamente del Modelo Estándar, de nuestra experiencia e inteligencia y por supuesto que son cosas totalmente ajenas a un simple humano como nosotros y siempre lo serán, pero también lo hacen todos los fenómenos interesantes que nombramos antes y eso es suficiente para seguir dándole importancia. No parece, pero el conocimiento sigue teniendo suma importancia en cierto sector mundial. Para ese sector mundial, la frase no es "Un par de tetas tira más que un par de bueyes"; o dicho en fino:



... sino, más bien ésta: "Un par de singularidades tiran más que unas tetas".

En fin, como esto se me está yendo de las manos, procederemos al punto. Tenemos un par de fenómenos interesantes que es imposible explicar con el Modelo Estándar de Partículas y las teorías actuales, entonces, obviamente, se crean otras. ¿Dónde salen este par de bosones X e Y que hemos saltado olímpicamente? Bien, estos aparecen en las teorías que intentan explicar ese asunto interesante que denominé como bariogénesis/leptogénesis.

Analicemos un poco estas palabras tan atemorizantes. Obviamente, bariogénes deriva de bariones y leptogénesis, bueno, no voy a insultar tu inteligencia. Por el momento olvidate de "leptogénesis" y concentrémonos en los bariones. Como recordarás, los bariones eran los protones, los neutrones y los hiperones. Simplifiquemos las cosas todavía más: Olvidémonos por un momento (pero sólo por un momento) de los neutrones y de los hiperones. Comencemos con las explicaciones, entonces, en base al protón.

Sobre un tema que por el momento poco tiene que ver con la cuestión que estamos abordando, yo creo que si te preguntara cuál es la relación de cantidades entre materia y antimateria en el universo (por más que aún no hayamos estudiado la antimateria) vos me responderías algo como Y... ¿Mitad y mitad?; lo cual es lo más lógico. Pero, ¿qué pasaría si te dijese que eso es erróneo?. Está bien, puede que yo y muchos científicos en general nos equivoquemos al afirmar que hay más materia que antimateria, y que por alguna razón no la hemos detectado pero, por el momento, la cosa es así: Hay más materia que antimateria en el universo y no sabemos porqué. Más simple todavía: Hay más protones que antiprotones.

Lo diré en otras palabras, total abundan caracteres. Así como existen leyes que afirman la conservación de la masa, de la carga o de la energía, también existen leyes que regulan la conservación del número bariónico. Si tienes curiosidad, te diré que la fórmula es muy simple: La tercera parte de la diferencia entre el número de quarks y el de antiquarks. O gráficamente:




Se supone que gracias a éstas cuentas el número bariónico del protón será +1 y el del antiprotón -1. Esto sería ideal si existiera la misma cantidad de materia que de antimateria, pues, en ese caso, el número bariónico del universo sería exactamente 0, pero, claro, eso no sucede ni en broma. Y lo mismo pasa con los leptones. Si bien la fórmula de conservación es muy bonita...




... no se da que L sea igual a 0, por más que la misma ley de conservación diga que sí. Nadie es tan estúpido como para no notar que acá pasa algo raro, entonces varios científicos se pusieron a solucionar los problemas. En sus suposiciones, los mismos dijeron algo como: "Bueno. Tenemos que B ≠ 0; y consideramos que puede que sea por dos cuestiones: O bien el universo se creó con B ≠ 0 o bien el universo empezó con B = 0 y algo pasó como para que llegue a B ≠ 0. Y acá pasa lo de siempre: Los físicos se dividen en las dos posturas. Por el momento, la postura más fuerte es la segunda consideración: Antes B=0 pero ahora B≠0. Y acá se viene el asunto de nuestro interés.

¿Recordás toda la introducción que dí sobre las Teorías de la Gran Unificación y todo eso? Bueno,, justamente aquí es dónde hacen aparición los pensamientos más disparatados que se te puedan ocurrir. Pero, ah, algo tienen en común la mayoría de ellas (y las que no lo tienen muy difícilmente son aceptadas): Proponen la desintegración del protón. No es nada revelador, lo sé, pero mirá como se convierte en algo importantísimo si le cambio un poco las palabras: Antes pensábamos que el número bariónico (sea 0, 8, 17, -32 o cualquiera) debía conservarse entre las desintegraciones, es decir, un barión no puede desintegrarse en "cosas que no son bariones"; y lo mismo pasaba con los leptones; pero, dado las circunstancias, ahora consideramos que ni B ni L se conservan; o en otras palabras: Que leptones pueden desintegrarse en bariones y al revés también.




Claro que eso puede ser un disparate y nosotros el chiste peludo entre los seres pensantes del universo, y todo por algo que dije antes: El LHC puede hacernos experimentar tan solo hasta energías iguales a 7 TeV cuando todas estas teorías se probarían si los sometemos a energías aún mayores; cosa que por el momento es imposible. Pero bueno.

Aquí es donde, por fin, hacen aparición los bosones X e Y de los que hablamos solamente en una oración, hace como 20 párrafos. Para mediar todo este tipo de desintegraciones de bariones en leptones, de leptones en bariones y principalmente de protones en "otras cosas" los científicos postulaban la existencia de estos dos bosones. Como recordarás, no vemos los protones desintegrarse siempre por cuestiones de vida: Los protones viven aproximadamente 10^36 años. Para que te hagas una idea de lo monstruoso que es este número, un ejemplo: Supongamos un protón que "nació" en el Big Bang y vivió hasta el día de hoy. ¿Sabés cuántas veces podría repetir esa vida sin desintegrarse? Unas 10^27 veces. Un protón puede vivir 10^27 la edad del universo y aún así es probable que no se desintegre.




Como verás, los bosones X e Y comparten similitudes con los bosones W y Z, que también median desintegraciones. Creo que la más importante es el nombre: Los físicos son siempre tan ingeniosos. Hablar de las propiedades de éstos amigos sería algo así como apostar, pues dependen todas de los qué, los cómo y los porqué de la desintegración del protón. No obstante, se calcula que su masa es más o menos un trillón (10^18) de veces la del electrón. Es por eso que no vemos protones desintegrarse a cada instante: Estas partículas son ultra-super-archi-mega-"requete"-inestables.

Para cerrar con todo este tema, debo decirte que puede que gracias a estos bosones vos estés leyendo este artículo, maravillado (o no) del universo donde vives. Suponiendo que estas partículas existen, se teoriza que ellas fueron las que causaron esa desigualdad entre materia y antimateria. Como sabrás, la materia y la antimateria se aniquilarían mutuamente si se encontrasen en algún punto. El hecho de que el universo no sea solo radiación gamma producto de la colisión de esas dos partículas (y que vos y yo estemos aquí, claro) se debe a la abisal desigualdad entre materia y antimateria; osea, a los bosones X e Y. Ahora, claro, esto no prueba su existencia. Puede que el protón no se desintegre, con lo cual las TGU's se van todas al carajo, al igual que los bosones X e Y y probablemente también parte del armazón matemático dispuesto a unificar las 4 interacciones fundamentales; lo cual sería aterradoramente extraño, al igual que el universo en dónde vivimos. Pero eso no debería significar nada. ¿O sí?




Lejos del misterio y la imaginación que podrían englobar éstas partículas, creo que llegó el momento de empezar a rompernos la cabeza. Pero rompernos la cabeza enserio. Hemos explorado ya muchas partículas, vos lo sabrás mejor que nadie. Pero si hay algo que siempre dije, es que cuando llegue cierto momento te darás cuenta que no eran muchas en realidad. Bueno, ese momento llegó. Le llegó el turno a la antimateria:

Quiero empezar a hablar del asunto abordándolo como Dios manda: sin asco. Y para hacerlo voy a decir algo que quizá sea extraño: La materia y la antimateria son, atención, exactamente lo mismo. Bueno, en realidad son casi-exactamente lo mismo, pero quiero partir desde la idea de que son la misma cosa con distinto nombre.

Creo que debería estar más que claro que la antimateria no es nada más que lo que se forma por la unión de antipartículas. No quería comenzar sin que esté bien en claro esa cuestión. Ahora sí, mi querido lector, al tema que nos concierne. Para lograr explicar el asunto de las antipartículas te voy a invitar a que imagines tu propia partícula. No importa cómo sea, simplemente debe tener una condición: Tiene que tener carga positiva. Para evitar confusiones, vamos a suponer que el nombre de esa partícula es "partícula A". Hecho todo eso, comencemos a abordar la situación:

Como físico que eres, supongo que deberás saber que podemos tranquilamente describir a la partícula A en términos en forma de ecuaciones. Si pudiéramos saber más sobre la partícula A, también podríamos describir cómo va a comportarse (siempre respetando a la cuántica, claro; pero no nos compliquemos la vida). En fin. La gracia de todo esto viene con lo que te digo ahora: Supongamos la antíparticula de la partícula A, a la cual llamaremos simplemente antipartícula A (disculpas por el trabalenguas). ¿Cómo deberían ser esas ecuaciones que describirían a la antipartícula A?




Muy bien. La ecuación sería, claro, exactamente la misma, nada más que con un par de diferencias. La ecuación de la antipartícula A debería cambiar de signo tres cosas:

En primer lugar, la carga. Ley absoluta y principio básico de los que enseñan las diferencias entre partículas y antipartículas. Sin lugar a dudas estoy seguro que cuando leías las primeras palabras dedicadas a éste tema pensabas solamente en esa diferencia. Ahora bien, como te dije, la partícula A tenía carga positiva, lo cual significa que la antipartícula A tenga carga negativa. Sí, es un insulto lo que te estoy diciendo, pero quiero que notes que si ésta fuera la única diferencia entre partículas y antipartículas la cosa no sería como te dije: No se comportarían igual. Y con comportarse distinto me refiero a que si a ambas les acercamos un protón, una va a salir repelida y la otra va a ser atraída; vamos, lo normal.

En segundo lugar, la paridad. Acá empezamos con lo nuevo, y con lo complicado. Complicado de explicar, no de entender. Te invito a mirar la siguiente imagen:



Como verás, es un gráfico de coordenadas. Lo que quiero que intentes hacer es imaginarte que eso es el universo, y que, por supuesto, el punto que he marcado corresponde a la posición de la partícula A. Ahora bien, si quisiéramos ubicar a la antipartícula A en ese universo con respecto a la paridad, deberíamos verla aquí:



Creo que viendo esa imagen ya no queda mucho más que decir. A la hora de hablar de la posición de las antipartículas con respecto a las partículas, siempre se habla de "una inversión del universo". Sé que suena demasiado raro, pero es lo mismo que si vieras con un espejo a la partícula. Ahora, claro, esta analogía tiene un par de agujeros enormes. En primer lugar, el universo no tiene 2 dimensiones, sino 4. Y algunas teorías proponen que tienen 11. Peor la cuestión no se hace más complicada por la cantidad de dimensiones, sino que es exactamente igual: Si tenemos un universo con 3 dimensiones espaciales, y vemos a nuestra partícula en 2, 2, 2; evidentemente la antipartícula se encontrará en -2, -2, -2. La razón por la que sucede esto es la misma por la cual se invierten las cargas: En algunos aspectos, las partículas y las antipartículas son opuestas.

Antes de decir otra cosa, quiero que notes ésto que te voy a decir: Todavía la antipartícula A no se comporta igual que la partícula A, es decir, así como habíamos dicho que se comportaba. Quiero que veas que el tercer y último cambio que debe sufrir nuestra hipotética ecuación todavía debe cambiar un tercer parámetro. Entonces:

En tercer lugar, el tiempo. Esto es lo último que hubieras pensado a la hora de invertir variables, ¿verdad? El hecho de invertir el valor del tiempo significa nada más y nada menos que para las antipartículas, el tiempo pasa "al revés": El universo "empieza" con el final y "termina" con el big bang. Ya lo sé, es difícil de visualizar. A diferencia del concepto de inversión de la paridad/posición, la inversión del tiempo es algo muchísimo más difícil de entender, pero no por ello imposible. Veamos si con el siguiente ejemplo se aclara todo:

Sabemos que la partícula A y la antipartícula A tienen cargas opuestas. Eso significa, claro, lo que dije más arriba: Que si acercáramos un protón a esas partículas, una se acercaría y la otra se alejaría. Según nuestro ejemplo, la partícula A se alejaría (pues tiene carga positiva) y la antipartícula A se "acercaría" (pues tiene carga negativa). Pongo "acercaría" porque lo que en realidad hace es alejarse. No, no estoy olvidando las leyes de la física. Lo que sucede es que: Ya que el tiempo transcurre al revés, la antipartícula NO se "ve" acercándose hacia el protón, sino que se ve cerca del protón, y luego alejarse. ¿Verdad que es raro?




Mi querido lector, tengo que decirte que si lograste comprender el párrafo anterior lograste comprender porqué las partículas y las antipartículas son "la misma cosa": Porque son indistinguibles. Bueno, en realidad no son indistinguibles, pero eso sucede porque nosotros somos materia, y como tal vemos pasar el tiempo "hacia adelante", lo cual significa que tenemos nuestro propio sistema de referencia. Y si fueramos antimateria pasaría lo mismo. El carácter indistinguible se vería sólo si pudiéramos observar materia y antimateria como si fuéramos algo que no es materia ni antimateria. Escalofriantemente extraño.

Mi querido lector, voy a cerrar con todo este tema de materia y antimateria con una deducción que seguramente te dejará pensando un par de cosas. Hasta el momento hemos visto multitud de partículas, unas más interesantes que otras, pero todas igual de importantes. Espero que entiendas ahora cómo ese número se multiplicó por dos, quiero decir, ahora no hay protones, neutrones y hiperones: Hay protones, neutrones, hiperiones, antiprotones, antineutrones y antibariones. ¡Cada partícula de materia tiene su par de antimateria! Eso significa que hay, al menos, el doble de partículas que estudiamos, salvo, bueno, contados casos; como por ejemplo el del pión nulo (π0) o el Bosón de Higgs, que son sus propias antipartículas.

Pero la deducción importante no es esa. El hecho de que toda partícula tenga su anti-compañero hace que, por ejemplo, existan antiprotones opuestos completamente el carácter de los protones, positrones con carácter opuesto al de los electrones, antiquarks con carácter opuesto al de los quarks, y antigravitones con carácter opuesto al de los gravitones. ¿O acaso creías que los gravitones no tenían su anti-compañero? Espero que realmente entiendas que si una partícula tiene su antipartícula y que ésta antipartícula es rotundamente opuesta (por eso tiene el prefijo "anti-" ) a su par, entonces el gravitón, que crea la gravedad, tiene un comañero antigravitón, que crea la antigravedad. Y esa antigravedad de la que hablo es exactamente como te la imaginas, "repeliendo" masa en lugar de "atraerla".




Claro que esto que te dije tiene que pasar por muchos filtros. En primer lugar, para que todo eso que dije sea probable tiene que descubrirse el gravitón. Y luego de eso tendrán que venir varios experimentos para determinar si lo que te dije es algo físicamente cierto o simplemente una bobada lanzada al aire más.

Cambiando ahora un poco de tema, hay otro punto en la vida de un ciber-científico que es digno de ser mencionado. Absolutamente siempre se da el momento en el cual empezamos a estudiar sobre la materia y sus derivados, siempre llegando a la misma conclusión: "A la mierda, hay más materia de la que creía". Claro, en el universo también existe la antimateria y la materia oscura, temas que, creo, son demasiado atrayentes como para leerlos una sola vez. Por esa razón, ahora mismo la otra materia de interés para los aficionados a la ciencia: la materia oscura

Supongo que lo esperado es que comience partiendo con una definición de tal "variante" de la materia, pero haré justo lo contrario: La materia oscura es todo lo que no vemos ni sabemos lo que es, pero pensamos que está ahí. ¿Ves como pierde toda magia de ciencia ficción? La materia oscura tiene relación con la historia cartográfica: Antes se colocaban en los mapas el nombre de Terra Incognita a los territorios todavía no explorados. Sabían que había algo, pero no sabían qué




Analicemos un poco la historia de la materia oscura, cosa que se pueda entender cómo es que llegó a ocupar tanta fama. En primer lugar, dejame explicarte vagamente un concepto, que es el de velocidad orbital: Es la velocidad que tiene un satélite en órbita por efecto de la gravedad del cuerpo al que está orbitando. Y depende, bueno, de la distancia al centro de gravedad (a más distancia menos velocidad) y de la masa del cuerpo que hace girar el satélite (a más masa más velocidad), pero no de la masa del satélite... Pero eso es entrar en detalles.

La cosa es que gracias a éste concepto es posible determinar la masa de, por ejemplo, la Tierra, sabiendo a qué velocidad se mueve la Luna y a qué distancia está de nosotros, y lo más maravilloso de todo: Ni siquiera hace falta la masa de la luna. De más está decirte que eso es importantísimo en la astronomía. En fin, el punto es que el héroe de hoy, el astrónomo suizo Fritz Zwicky, se encontraba en 1933 haciendo todo ésto, nada más que en vez de calcular la masa de la Tierra lo hacía para un cúmulo de galaxias lejano, que dista a unos 321 millones de años-luz de nosotros, que es el cúmulo de Coma. El punto es que las galaxias de ese cúmulo (y también las de cualquier otro) realizan órbitas alrededor de un centro de gravedad, con lo cual Zwicky pretendía determinar la masa de ese cúmulo utilizando el cálculo que te expliqué antes. Además, para corroborar su medición, calculó la masa además por otros medios, observando el brillo de las galaxias (no es broma) y haciendo demás atrocidades matemáticas. A que no adivinás lo que pasó




¡Los resultados no eran los mismos! Y Zwcky quedó terriblemente confundido, claro. El punto es que el aparente error no se debía a un fallo en el cálculo, ni a un error en la medición, ni ningún despiste propiamente humano: El Cúmulo es ¡400 veces! más masivo de lo que se ve. Claro, Zwicky no es idiota. Se dió cuenta muy rápido que había algo ahí que no podía detectar: Algún tipo de materia que, por alguna razón desconocida, no se podía detectar desde la Tierra.

Claro que no nos quedamos sólo con ese testimonio. Multitud de pruebas y mediciones cayeron después, y todo era como Zwicky decía. Puede que por ahí pienses: "Bueno, gran parte de las galaxias es polvo y gas. Puede que el error haya venido de ahí", y yo, sin duda, te felicitaría por tal avispada mente, pero el punto es que también es posible calcular la masa de todo el polvo y los gases de una galaxia, pues en algún momento emiten algún tipo de radiación electromagnética que permite detectarlos. Lo que faltaba de medir no era "difícil de ver": Es completamente invisible. Mira la siguiente imagen:



Así se supone que se compone nuestro universo. ¿Se entiende porqué las galaxias "se mueven más rápido de lo que deberían"? ¡Hay casi cuatro veces más materia oscura que materia normal! Claro que puede que se trate "simplemente" de un error de cálculo, lo cual supondría que nuestras concepciones sobre gravedad e inercia estén mal. Pero la verdad es que a veces nos encontramos con evidencia de materia oscura difícil de ignorar. A veces se da en el universo un colosal choque entre objetos astronómicos (digamos, galaxias), en donde materia "normal" y materia oscura terminan separadas. Por ejemplo...



Claro que la imagen está alterada. "La parte sombreada" se ve realmente del mismo color. Lo único que nos permite averiguar dónde hay materia oscura y dónde no es la gravedad. Pero, en fin, lo que te quería decir con este es que no, probablemente no haya errores de cálculos, mediciones o desajustes de aparatos: realmente no tenemos ni idea de cómo es el universo. Y evidencias como la foto de arriba es lo que hace que lamayorái de los científicos se amolden a un universo con materia oscura.

Es por esa razón que hoy nos encontramos con dos posibilidades no exluyentes una con respecto a la otra que nos permiten explicar la materia oscura. La primera de ella, mucho menos revolucionaria, predice que la materia oscura son objetos estelares difíciles de ver, formada presuntamente por materia normal normal: neutrones y protones al menos. Es por eso que cuando se habla de esta posibilidad se le asigna el nombre de materia oscura bariónica. La segunda posibilidad, muchísimo más interesante como verás más adelante, involucra la existencia de partículas subatómicas más o menos exóticas. En este caso nosotros estamos considerando que la materia oscura no está formada por bariones (o al menos no en su totalidad), sino más bien por partículas hipotéticas externas al Modelo Estándar.

Hablemos un poco sobre la primera posibilidad. Veamos, es cierto que hay cuerpos que son muy difíciles de ver (agujeros negros, estrellas de neutrones, enanas marrones, etc), y lo son mucho más si están aislados, pero hay que tener en cuenta que la materia oscura, compuesta por el material que sea, es un cuarto de la masa/energía del universo, y eso supondría que un cuarto del universo debería ser puros agujeros negros, estrellas de neutrones y enanas marrones, lo cual es poco creíble aún sin tener consciencia de cómo está formado el universo.

De todas formas, y puesto que estos objetos son masivos, en teoría distantes y compactos, se los denomina MACHOs, es decir: Massive Astrophysical Compact Halo Objects, o traducido al cristiano: Objetos Astrofísicos de Halo Masvios y Compactos. Sí, es un nombre bastante rebuscado, y pretende ser jocoso. ¿Quién dijo que los científicos no pueden divertirse?




Es cierto que nadie duda que haya muchos MACHOs (no voy a hacer ningún chiste fácil) y que cada vez seamos más eficaces para detectarlos, pero, claro, pasa lo que te dije antes: No hay tantos ni suponiendo. Si nos ponemos generosos (muy generosos), podrían constituir el 20% de la materia oscura del universo. Y por si fuera poco, no hay nada que justifique que en el Big Bang se hayan creado tanta cantidad de bariones con respecto a otras partículas sólo para justificar la existencia de esa legión de MACHOs que no vemos. Y es por ello que los principales candidatos para explicar tal nombrada materia sean otros.

Y cuando digo "otros", quiero decir "la segunda opción, es decir, partículas subatómicas más o menos exóticas. Digo más o menos porque hay varios candidatos, siendo el primero de ellos un gran conocido por nosotros. Voy a tratar de decirlo en forma de adivinanza: ¿Qué pequeña partícula dio sustos y alegrías a los físicos relativistas del mundo? Así es, estoy hablando del neutrino.

Pero bueno, no nos apuremos y empecemos hablar de ésto un poco más despacio. Como verás, hay al menos dos posibilidades a la hora de tener en cuenta para explicar la materia oscura. La primera de esas dos ya la conoces: Son los MACHOs. De la otra, por el momento, sólo te voy a decir el nombre: WIMPs.




Los WIMPs vendrían a ser exactamente partículas. Si bien "nunca" hemos visto ninguna, sí podemos determinar algunas de sus características con un poco de lógica. En primer lugar, deben ser neutras, pero neutras enserio, pues sabemos que directamente no interaccionan con el electromagnetismo. En caso contrario, esas partículas serían fácilmente detectadas: Emitirían radiación cuando, por ejemplo, sufrieran aceleración; además de absorberla, reflejarla y/o emitirla según las circunstancias.

En segundo lugar, lo que deberíamos haber dicho primero: Deben tener masa, pues es justamente eso lo que nos hace plantear esta duda. Por el momento no hablemos de cuánta masa, aunque puede que lo siguiente te de una pista de cuánta masa podrían tener. En tercer lugar, éstas partículas no deben interaccionar con la materia "normal" en la mayor parte de los casos, o sino ya las habríamos descubierto mucho tiempo antes.

Ahora bien, es hora de pasar a lo abstracto. En primer lugar, no nos compliquemos la vida: ¿Hay alguna partícula del Modelo Estándar que reúna las características nombradas más arriba?. Tu respuesta debería ser inmediata: Sí. Espero que no hayas pensado en el neutrón, por tres razones: En primer lugar, porque los neutrones libres son inestables; en segundo lugar, porque son bariones (entonces deberíamos haber hablado de ellos más arriba); y en tercer lugar porque ya te dije que eran los neutrinos.

El neutrino llega como principal respuesta fundamentalmente por la característica que poseen de no interaccionar con casi nada, lo que hace que la labor de detectarlos sea laboriosa... ¿O es que no recuerdas que en este momento están pasando billones de ellos por tu cuerpo?. Pero, ah, ésta teoría tiene un pequeño problema: Se trata de materia oscura no bariónica caliente. Menudo nombre, si.

Veamos, te explicaré más detalladamente el problema: Como sabemos, calor es lo mismo que movimiento; quiero decir, si las partícuals que componen tu cuerpo se movieran en promedio más rápido, entonces tu temperatura corporal aumentaría, ¿verdad?. Lo que pasa aquí es muy parecido. Verás, los neutrinos tienen muy poca masa, por lo que es demasiado fácil para ellos moverse a grandes velocidades. Como en teoría hay muchísimos más neutrinos de los que creemos (y mira que hay incontables cantidades aún sin materia oscura), entonces el universo en sí debería ser caliente, y eso es incompatible con muchas de las teorías actuales; entre otras cuestione son importantes de tratar ahora.

Es por ello que cuando se habla de la materia oscura tienden a referirse a ella como materia oscura no bariónica fría, puesto que, como vimos más arriba, debería estar constituidas por partículas semejantes a los neutrinos, pero con más masa: Partículas que solo sufran la interacción débil (y la gravitatoria, por supuesto) y tengan apropiada cantidad de masa, es decir, WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles.




Un punto y aparte para los que no son filólogos especializados en la lengua anglosajona. WIMP tiene una traducción al cristiano, y es algo así como "enclenque" o "debilucho". Esto dio lugar a varios chistes. Por ejemplo, los científicos postularon además la existencia de los MACHOs como alternativa a los "enclenques". ¿Quién dijo que los físicos no podíamos divertirnos con tonteras?

Volviendo al tema de los WIMPs, sabemos por definición que son bastante difíciles de encontrar: La única forma que tendríamos para detectarlos es, claro, que uno de ellos choque "de cabeza" contra el núcleo de un átomo. Ésto puede parecer difícil, pero no lo es. ¿Porqué no? Bueno, en primer lugar deberías saber que se postula que pasan alrededor de 10^15 de ellos por tu cuerpo ahora; y en segundo lugar deberías mirar la siguiente imagen:



Estadísticamente es muy fácil que haya choques "de cabeza" como dijimos arriba, pero, claro, es muy difícil saber dónde va a ocurrir ese choque, lo que en definitiva nos deja igual de confundidos. Pero, claro, todavía tenemos un par de aliados. En primer lugar, pudimos determinar que en muchas de esas colisiones terminan apareciendo neutrinos muy energéticos; osea que ya nos vamos haciendo idea de dónde empezar a buscar. En segundo lugar, tenemos el Super-Kamiokande ya construido, el cual tiene como función (entre otras cosas) detectar neutrinos procedentes de esas colisiones,aunque todavía no ha tenido éxito.

Claro que esa es una de las formas que tenemos. Aunque, bah, derivan del choque "de cabeza" del que te dije antes. Por ejemplo, existen algunos detectores que intentan identificar los fotones emitidos por los núcleos atómicos que son desplazados por la colisión en cuestión. Como sabes, cuando una partícula o un conjunto de ellas acelera está emitiendo fotones, como dije más arriba. Muy bien, están tratando de detectar esos fotones.

Claro que hay una tercera forma. Me tomo la molestia de escribirla porque me parece demasiado curiosa. Existen detectores que también intentan medir la vibración que producen los núcleos atómicos cuando son golpeados por algo. Claro que esto es bastante difícil, porque todos los átomos tienen una vibración neta por estar "calientes". La gracia de todo esto consiste en enfriarlos hasta temperatura próximas al cero absoluto, y desde ahí tratar de detectar una vibración no usual. Claro que si te detienes a pensarlo estarían tratando de oír la materia oscura, pero los detalles me los ahorro.




Puede que te resulte sorprendente, pero el tema no termina aquí. Como verás, los WIMPs son partículas más o menos exóticas; cuyo fin es determinar el componente de la materia oscura bajo la visión no bariónica y fría de las cosas. Y como siempre, no es el único que postula candidatos para solucionar el problema de la materia oscura desde ese punto no bariónico y frío de las cosas. Hemos hablado ya de dos candidatos. Quedan dos más, pero, ah, recién voy a hablar de ellos en la próxima parte del post.

Mis queridos lectores, el post debe finalizar aquí. Esta vez es por una mezcla de cierto recelo a los caracteres y una especie de intento por generar suspenso y expectativa Me despido de ustedes con un ¡Hasta la próxima!, con una felicitación si es que has leído las cuatro partes y con, por supuesto, una invitación a las comunidades más científicas de todo Taringa! en los siguientes links: , , , , , , ,

Nota: Fuente que no puede ser agregada por algún motivo aquí