Una breve historia de casi todo: 11) Los quarks en Muster Mark

Hola a todos.

Llegamos al capítulo 11 en el que Bryson nos lleva a dar un paseo por el mundo subatómico.

La cámara de niebla de Wilson, que pretendía ser un dispositivo para crear nubes artificiales en el laboratorio, es uno de los primeros detectores de estas partículas escurridizas. Una partícula que atraviesa la cámara deja un rastro de condensación que permite identificar la trayectoria de la partícula. Combinando la cámara con campos magnéticos se puede curvar la trayectoria para identificar la carga de la partícula.

Al principio se utilizaban fuentes de partículas alfa que tenían una energía dada, pero si se añaden campos eléctricos se pueden acelerar las partículas. Combinando campos eléctricos y magnéticos se puede hacer que la partícula adquiera energía al mismo tiempo que se curva su trayectoria. Este es el fundamento del ciclotrón de Lawrence. Al final de la trayectoria, la partícula acelerada colisiona contra un blanco y salen despedidas una serie de partículas que se pueden estudiar usando “versiones” más modernas de la cámara de niebla de Wilson.

Bryson comenta que, a partir de ahí, se construyeron aceleradores cada vez más grandes y capaces de dar más energía a las partículas, para que los resultados de las colisiones fueran cada vez más interesantes. Las velocidades que se alcanzan en estos aceleradores está llegando hasta el 99,999% de la velocidad de la luz y se pueden alcanzar energías en el momento de la colisión de 14 TeV, como es el caso del LHC. Utilizando estos aceleradores, en el siglo XX se descubrieron muchas partículas, algunas fundamentales y otras compuestas.

También se refiere al miedo que causa entre el público que se genere un gran agujero negro que destruya el mundo.

Las partículas que se generan se desintegran en un tiempo muy breve. Para generar algunas no hace falta utilizar aceleradores ya que vienen directamente del espacio exterior como son los neutrinos, de los cuales Bryson apunta correctamente que tienen una masa muy pequeña. Para detectarlos se necesitan grandes tanques subterráneos llenos de agua u otros elementos como argón líquido.

Desgraciadamente para hacer descubrimientos importantes hay que invertir mucho dinero y debido a ello algunos aceleradores, como el Supercolisionador Superconductor (SSC), de 84km de circunferencia que se iba a construir en Waxahachie se quedó sólo en un agujero en Texas.

Aún con todo, Bryson reconoce que, con tal cantidad de partículas descubiertas, es complicado entender la física de partículas y que es un mundo que “sobrepasa” lo comprensible además de tener un léxico complejo.

Para poner orden en el zoo de partículas, Gell-Mann propuso, en los sesenta, que algunas de las partículas descubiertas, los hadrones, estaban compuestas por un número de otras partículas más pequeñas a las que denominó quarks tomando la palabra de la frase de Finnegan’s Wake: “Tres quarks para Muster Mark”. Existen 6 quarks agrupados en tres familias: u(p), d(own), c(harm), s(trange), b(ottom o beauty), t(op).

Los quarks, junto con los leptones (el electrón y sus primos mayores muón y tau; y los primos menores neutrinos) y con los bosones o mediadores de las fuerzas electromagnética (fotón), débil (W⁺, W^- y Z) y fuerte (gluón) forman el Modelo Estándar de Física de Partículas y explica la materia ordinaria de la que está hecha el universo. También incluye al bosón de Higgs, que en la época que Bryson escribió el libro todavía no se había descubierto (se hizo público el 4 de Julio de 2012).

Sin embargo, este modelo no es completo al no incluir a la gravedad, además de no explicar ciertas cosas como la materia oscura. También se cree que estas partículas no son fundamentales. Por esto, Bryson nos introduce en la teoría de cuerdas que postula que toda partícula fundamental es en realidad un pequeña “cuerda” de energía vibrante. Dependiendo del modo de vibración, la cuerda se comportará como una partícula con unas propiedades determinadas. Existe la cuerda que da lugar al electrón, al quark up y ¡también al gravitón! que es el bosón mediador de la fuerza de la gravedad.

El problema es que dependiendo de ciertos parámetros, se tienen varias versiones de la teoría de cuerdas diferentes. Edward Witten se dio cuenta de que, en realidad todo eran versiones diferentes de una misma teoría y, durante la segunda revolución de la teoría de cuerdas, denominó a la nueva teoría ,Teoría M donde aparecen nuevos objetos como las branas.

A partir de aquí Bryson da un salto, vuelve a la época de Hubble, y plantea el problema que existía sobre el valor de la constante de Hubble de la que se podía estimar la edad del universo. Con un valor exacto se podía calcular la edad, pero hubo varios intentos para determinar este valor. Usando el telescopio Hubble se calculó una edad de ocho mil millones de años y con los resultados del satélite WMAP (sonda anisotrópica Micromodular Wilkinson) la edad fue de 13.700 millones años. Pero como cualquier cálculo todo está sujeto a un margen de error experimental y puede haber una cierta variación en el valor final.

Bryson también habla de una teoría que dice que el universo no es tan grande sino que algunas de las galaxias lejanas que vemos son simplemente reflejos, luz rebotada.

Como en todo, hay muchas cosas que no sabemos, y aquí Bryson vuelve otra vez al tema de las partículas para hablarnos de la materia y energía oscura. La materia ordinaria que conocemos y que detectamos (quarks, leptones, etc.) es sólo aproximadamente un 5% de todo el universo, un 27% es materia oscura y el 68% restante es energía oscura. Bryson menciona a dos posibles candidatos a materia oscura, los WIMPs y los MACHOs, los cuales todavía no se han descubierto ya que interactúan muy débilmente con la materia ordinaria. Se cree que la energía oscura es la responsable de que el universo se esté expandiendo al ritmo acelerado con el que lo está haciendo. Este hecho hace que la constante que introdujo Einstein en sus ecuaciones para evitar que el universo se expandiera esté resultando útil para resolver los problemas matemáticos que plantea el modelo.

Y ahora unas preguntas para el debate.

•  Cada vez más, hacer grandes descubrimientos como el del bosón de Higgs está asociado a grandes desarrollos tecnológicos que requieren de grandes equipos humanos y grandes inversiones económicas como comenta Bryson. Hace tiempo leí un comentario de que en tiempos de crisis, primero llenar el plato de todas las personas y luego invertir en investigación ¿Creéis que habría que cambiar el planteamiento de los grandes experimentos para reducirlos económicamente y que ese dinero se destinara a la sociedad? ¿O por el contrario se trata de una inversión de futuro?
• ¿Creéis que la física de partículas es algo completamente incomprensible para el público general o es que no se ha hecho un esfuerzo en divulgarla de manera que se muestren sus beneficios?
• Por último, Bryson cierra el capítulo diciendo que no podemos calcular, ni conocer, ni entender todo ¿estáis de acuerdo? ¿Se dará el ser humano por vencido en algún momento en su afán de conocimiento?

¡Muchas gracias a todos!