Apuntes de Astronomía

De qué está hecha la materia

La materia está formada por átomos y éstos por quarks, electrones y neutrinos

Desde comienzos del siglo XX se sabe que toda la materia está formado por átomos. Todo lo que hay en el Universo: las galaxias, las nebulosas, las estrellas, el Sol, los planetas, la Tierra, las montañas, los árboles, el mar, las nubes, la atmósfera y nosotros mismos, todo está formado por átomos. En esos años se descubrió que los átomos se componen de un núcleo muy pequeño con carga eléctrica positiva, en donde está concentrada casi toda la masa, y de una nube de electronescon carga eléctrica negativa. Entre los años 1950's y 1980's el esfuerzo y la tesón de muchos científicos llevó a la conclusión de que todos los átomos se componen de solamente 4 partículas: electrones, quarks up, quarks down y neutrinos. Estas cuatro partículas elementales, constituyen la familia del electrón, las cuales interactúan entre sí a través de otros cuatro elementos llamados interacciones básicas. La historia del descubrimiento de que casi todo lo que vemos a nuestro alrededor en la Tierra, y más allá, está compuesto por estas pequeñas partículas es la historia más apasionante de la ciencia.

Nebulosa M78 en la constelación de Orión. Imagen obtenida por Ignacio de la Cueva Torregrosa, astrofotógrafo aficionado de Ibiza.

El término "partículas", es una forma de hablar, y sirve para hacer más fácil la comprensión. Pero no hay que imaginarlas como pequeñas esferas. En realidad, no sabemos qué son. La materia real es algo muy distinto a lo que vemos. Es muy importante saber que estas partículas elementales están unidas y que se combinan e interactúan entre sí a causa de unas fuerzas. Se han encontrado cuatro tipos de fuerzas, las cuales en realidad son otros tipos especiales de partículas. Hace 400 años, en Occidente empezó la gran aventura de intentar conocer científicamente el universo. Durante 300 años se consiguió hacer un mapa bastante exacto de lo que hay en el cielo y de las leyes que rigen el movimiento de los astros. Pero en los últimos 100 años, la historia se ha hecho verdaderamente apasionante, porque se ha descubierto que todo, absolutamente todo lo que existe en la tierra y en los cielos está formado por los mismos elementos básicos. Estos elementos básicos son 4 partículas elementales. Casi toda la materia está formada por una familia de cuatro partículas que se combinan e interactúan a causa de otras que originan lo que llamamos fuerzas. A finales del siglo XX, se encontró la existencia de otras dos familias de partículas: la familia del múon y la familia del tauón. Ambas familias se producen en los laboratorios, pero se supone que, en el origen del universo, coexistían con la familia del electrón. Cada una de estas dos familias se componen también de cuatro partículas elementales. Hay pruebas bastante concluyentes, de que no es posible de que haya una cuarta familia.

Transcurrieron casi 100 años, desde el descubrimiento del electrón (1897) hasta el descubrimiento del quark top (1995), para que el mundo científico tuviera una clasificación bastante satisfactoria de las partículas elementales que componen la materia. En esta clasificación se consideran 3 familias de partículas. Hay pruebas convincentes de que no existe una cuarta familia.

La primera familia está formada por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos electrónicos. Toda la materia del universo: estrellas, Sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del electrón).

Los elementos de la segunda familia tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del muón. Elmuón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 200 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: muones, quarks strange, quarks charm y neutrinos muónicos. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del muón).

Los elementos de la tercera familia también tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del tauón . El tauón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 3.500 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: tauones, quarks top, quarks bottom y neutrinos tauónicos. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del tauón)

Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero).

El 5 de octubre de 1906, el científico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906) se ahorcó en una habitación en un hotel del pueblo llamado Duino, cerca de Trieste. Este acontecimiento trágico no habría tenido tanta trascendencia si no fuera por el hecho de que Boltzmann decidió quitarse la vida impulsado por la depresión profunda que sufrió al ver rechazada con desprecio, por la comunidad científica de entonces, su tesis sobre la realidad del átomo y por afirmar que toda la materia está compuesta por los mismos pequeños bloques. Boltzmann había llegado a esta conclusión al estudiar el comportamiento de los gases. Su teoría era que éstos consisten en partículas que entrechocan entre sí en un movimiento caótico y que la energía de este movimiento es el calor.

Ludwig Boltzmann

En la década de 1850, en barcos, fábricas y trenes se usaban potentes motores de vapor. Eran una necesidad urgente en el comienzo de la revolución industrial. Desde el punto de vista comercial, político y militar era esencial comprender y predecir el comportamiento del vapor de agua a altas temperaturas y a máxima presión. Boltzmann se había especializado en mecánica estadística y fue el autor de la llamada constante de Boltzmann, la cual es un concepto fundamental de la termodinámica. Ludwig Boltzmann y muchos científicos imaginaron que si el vapor se componía de millones de diminutas esferas rígidas, era posible desarrollar algunas ecuaciones matemáticas que fueron capaces de predecir el comportamiento del vapor. Boltzmann y sus colegas atomistas se vieron envueltos en una agria polémica con quienes negaban la existencia de átomos. Estos últimos arguían que los invisibles átomos en los que se basaban los cálculos eran sólo una convención matemática, pero no objetos reales. Dijeron que era presuntuoso y blasfemo reducir el milagro de la creación a una serie de colisiones entre esferas diminutas inanimadas.

	La afirmación de Boltzmann de que toda la materia está formada por átomos, era compartida por muchos científicos y químicos ilustres. Entre ellos, el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), y el físico estadounidense Josiah Willard Gibbs (1831-1879). La trágica ironía del suicidio de Boltzman es que, un año antes, en 1905, un joven científico había publicado un documento que de manera innegable e irrefutable proclamaba la realidad del átomo. Este joven era Albert Einstein. Este informe que Einstein envió a la revista científica "Annalen del Physik" fue decisivo para zanjar la polémica.
James Clerk Maxwell		Josiah Willard Gibbs

Resulta muy ilustrativo recordar cómo llegó Albert Einstein al descubrimiento de los átomos. Para ello, hay que remontarse al año 1827, cuando el ilustre botánico escocés, Robert Brown (1773-1858) roció unos granos de polen en un poco de agua y los examinó con un microscopio. Lo que observó fue algo realmente extraño. En lugar de granos flotando suavemente en el agua, vio que los granos se movían vertiginosamente como si tuvieran vida. Este fenómeno, conocido desde entonces como  movimiento browniano permaneció 80 años olvidado como una anomalía física que a nadie interesó mayormente. En 1905, Einstein vio que el movimiento de los granos de polen podía resolver el debate acerca de la existencia de los átomos. Su argumentación era sencilla: si el agua estuviera compuesta por pequeñas partículas en movimiento, estarían golpeando continuamente a las partículas de polen. Einstein fue más allá de los argumentos verbales y llevó a cabo un impecable estudio matemático con el que demostró no sólo que existían los átomos, sino que no se veían porque su tamaño era de una décima de millonésima de milímetro. El grosor de un fino cabello humano es un millón de veces más ancho que un átomo.

Robert Brown

Una vez establecida la teoría de que la materia estaba hecha de pequeñísimas partículas denominadas átomos, toda la investigación al respecto empezó a acelerarse. Al mismo tiempo, las técnicas industriales y las facilidades de comunicación influyeron en el rápido desarrollo de nuevas teorías acerca de la composición de la materia.

El primer modelo que se hizo famoso fue elaborado por Ernest Rutherford en 1911, quien hizo su mayor contribución a la ciencia, al publicar la hipótesis de que: a) en el centro del átomo debe de haber una concentración de carga eléctrica positiva (protones) y que en ese minúsculo centro estaría concentrada casi el 99,9% de la masa atómica. b) en torno al núcleo orbitan unas partículas con carga eléctrica negativa y con muy poca masa (electrones). Pulse aquí para ver más en detalle el Modelo del átomo según Ernest Rutherford.
	Ernest Rutherford	Modelo del átomo de Rutherford

MODELO DEL ÁTOMO DE BOHR Pocos años más tarde, alrededor de 1920, ya se investigaba la teoría de los quantos divulgada por Max Plank (1858-1947) y Albert Einstein (1879-1955). El físico danés Niels Bohr (1885-1962) tomó como punto de partida el modelo de Rutherford, pero trató de incorporar en él la teoría de cuantos de energía y el efecto fotoeléctrico (estudiado por Albert Einstein). Surgió así el segundo modelo famoso del átomo, el modelo de Bohr. Pulse aquí para ver en detalle el Modelo del átomo según Niels Bohr
	Niels Bohr

NUEVOS MODELOS ATÓMICOS EN EL SIGLO XX Avanzado ya el siglo XX, los científicos continuaron explorando las propiedades del núcleo atómico y descubrieron que los protones y los neutrones estaban compuestos por minúsculos quarks. Para ver los quarks no bastan los microscopios, por potentes que sean, pues se necesitaría una precisión de 10-17 cm y se hizo necesario idear otras técnicas más sofisticadas. Fue así como se inventaron los aceleradores de partículas.
	Protón	Neutrón

EL MODELO ESTANDAR DE LA MATERIA  El camino para explicar la composición de la materia y las leyes que la rigen, se había hecho extraordinariamente confuso a mediados del siglo XX. El trabajo y la imaginación de miles de científicos, entre los años 1950 y 1980, en el desarrollo teórico y experimental llevó a elaborar con notable éxito lo que se ha llamado "modelo estándar de la física de partículas". En los años 1980’s surgieron diversos modelos nuevos que son válidos en ciertas circunstancias, pero que tienen problemas de consistencia matemática. Las investigaciones siguen su curso, pues los nuevos experimentos han sacado a luz nuevas partículas. Sin embargo, al día de hoy, las evidencias experimentales más importantes del modelo estándar han ido encajando con las ideas teóricas que se habían planteado. El modelo estándar de la materia El modelo estándar admite la existencia de 3 familias de partículas El llamado "modelo estándar" de la física de partículas, es una teoría en proceso de elaboración, que puede explicar mucho de cómo está hecho y de cómo funciona el mundo conocido. Los elementos más importantes del modelo estándar fueron encajando en su lugar a lo largo de un siglo de intenso trabajo teórico y experimental, desde el descubrimiento del electrón (1897) hasta eldescubrimiento del quark top (1995). Actualmente el mundo científico maneja una clasificación bastante satisfactoria de las partículas elementales que componen la materia. En esta clasificación se consideran 3 familias de partículas. Hay pruebas convincentes de que no existe una cuarta familia. La primera familia está formada por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos electrónicos. Toda la materia del universo: estrellas, Sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón. Es importante saber que estas 4 clases de partículas elementales se encuentran ligadas entre sí debido a la acción de cuatro fuerzas: fuerza de gravedad, fuerza electromagnética, fuerza nuclear y fuerza débil. También se ha descubierto que cada una de estas fuerzas se transmiten mediante otro tipo de partículas, que en el caso de la fuerza nuclear se denominan "gluones". En la figura de la derecha, se representa un protón, el cual se compone de dos quarks up y de un quark down, Aunque entre los 3 quarks actúan todas las 4 fuerzas mencionadas, en esas cortísimas distancias predomina ampliamente la fuerza nuclear. Está representada por las líneas blancas, que serían los gluones. Los elementos de la segunda familia tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del muón. El muón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 200 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: muones, quarks strange, quarks charm y neutrinos muónicos. Los elementos de la tercera familia también tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del tau . El tau es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 3.500 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: tauones, quarks top, quarks bottom y neutrinos tauónicos. Uno de las interrogantes esenciales de la física es lo que llamamos masa original. La masa se traduce en peso en un campo gravitacional. Si usted se encuentra en el espacio no pesa, pero sigue teniendo masa. El fotón, la partícula de la luz, nos trae la luz del sol, nos permite ver y comunicarnos. ¡Pero no tiene masa! La masa del electrón es 0,0005 GeV. La masa del muón es 200 veces mayor que la del electrón. Y la masa del tau es 3.500 veces mayor que la del electrón. Nadie sabe qué es lo que decide que un fotón no tenga masa y que las partículas de las tres familias tengan masas crecientes de una familia a otra. Por esto son tan interesantes los experimentos que han empezado a hacerse en el LHC del CERN en Ginebra. Se cree que debe haber otra partícula, el bosón de Higgs, que podría explicar la diferencia entre el fotón carente de masa y las otras partículas que sí la tienen. Si el bosón de Higgs existe, debe ser un componente integral del mundo material. Si el bosón de Higgs no fuera encontrado con el LHC, no dejaría de ser un descubrimiento fascinante. Querría decir que hay otras posibilidades para explicar la masa, en las que no se ha pensado. Querría decir que quizás no se sabe nada todavía. Habría que tomárselo con optimismo y recordar la variante de la poesía de Manuel Machado: "caminante no hay camino .... media vuelta, que nos perdimos". Según la concepción vigente, la materia consta de dos grandes categorías de partículas, quarks y leptones, en conjunción con las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, a saber, elelectromagnetismo y la interacción nuclear fuerte, la interacción débil y la fuerza de gravedad. Según este modelo estándar actual, protones y neutrones se componen de quarks y constituyen la parte más importante de la masa del átomo y están sometidas a las 4 fuerzas. El representante más conocido de los leptones es el electrón. Los leptones son inmunes a la fuerza fuerte (o interacción fuerte).. Las dos grandes categorías de partículas (quarks y leptones) se diferencian en el "color", una propiedad que guarda una lejana semejanza con la carga eléctrica, pero que sólo es un nombre metafórico, sin nada que ver con los colores del espectro de luz. Los quarks poseen color; los leptones, no poseen color.