¿De qué estamos hechos nosotros y el Universo entero?

 

¿Cómo es posible que el agua, el vapor y el hielo sean lo mismo? ¿Qué es la luz? ¿Por qué brillan las estrellas? ¿Cuál es el origen y el destino del Universo? La respuesta a cualquier pregunta sobre la naturaleza reside en conocer los “ladrillos” indivisibles de los que todo está hecho.

Seguimos explorando los “ladrillos” del mundo y las leyes que los gobiernan; es decir, las fuerzas que hay entre ellos para que puedan juntarse formando la materia: nosotros, las estrellas, el universo completo.

Las 17 partículas elementales conocidas

Conocerlos es el objetivo de la física de partículas. Estos “ladrillos” son las partículas elementales. El conocido como Modelo Estándar es la teoría que representa hasta ahora la mejor comprensión del mundo subatómico. Es un legado del siglo XX y la base de la tecnología moderna.

A pesar de su extraordinario éxito, la teoría encierra grandes misterios a los que no puede responder. Sin embargo, ésta es la mejor manera que tenemos a día de hoy los físicos teóricos y experimentales de explicar de qué está hecha la materia.

Según este modelo, la “tabla periódica” de las partículas elementales es mucho más sencilla que la de los elementos químicos. En lugar de más de 100 elementos, está formada por tan solo 17: 12 partículas de materia, 4 partículas portadoras de fuerza y una muy especial, el bosón de Higgs.

Las partículas de materia están organizadas en tres familias. La primera familia está compuesta por partículas estables: el electrón, los quarks “up” y “down” que forman los protones y neutrones de los núcleos atómicos, y el neutrino electrónico.

La materia estable que nos rodea está compuesta de partículas estables de la primera familia. Las partículas de la segunda y tercera familia son copias “idénticas” a las de la primera, pero más pesadas e inestables. Se “convierten” rápidamente en partículas de la primera familia y por eso son difíciles de encontrar en la naturaleza.

Los datos experimentales indican que con exactamente 3 familias de partículas describimos toda la materia, pero ¿por qué 3? ¿Es el 3 realmente un número mágico?

Cada una de estas partículas tiene además su equivalente antipartícula, idéntica pero de carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón de carga eléctrica negativa es el llamado positrón de carga positiva. Se ha logrado crear el átomo más sencillo de anti-Hidrógeno con antipartículas.

Podría así existir un universo entero hecho de antimateria muy similar al nuestro.

Sabemos también que si juntamos materia y antimateria, desaparecen ambas y se convierten en una inmensa cantidad de energía. El proceso inverso también es posible, la energía se puede convertir en cantidades iguales de materia y antimateria. Si esto es lo que ocurrió en el Big Bang, ¿cómo ha sobrevivido solo la materia en el universo?

Para que la materia pueda existir, debe haber fuerzas que junten las partículas de materia. En el mundo subatómico, las fuerzas entre partículas se describen por el intercambio entre ellas de otras partículas: el fotón para la fuerza electromagnética que mantiene unidos los electrones al núcleo de los átomos; los bosones W y Z para la fuerza débil responsable de la radiactividad o de alimentar al sol; y el gluón, el portador de la fuerza fuerte que une a los quarks dentro de los protones y neutrones, permitiendo también que estos se mantengan unidos en el núcleo atómico.

Pero ¿qué pasa con la fuerza de la gravedad? Justo la fuerza con la que estamos más familiarizados no sabemos describirla a estas escalas cuánticas del mundo subatómico. El hipotético gravitón, correspondiente a la fuerza de la gravedad, no se ha encontrado hasta ahora. La gravedad es la más “rebelde” de las cuatro clases de fuerza existentes.

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