LAS LEYES DEL COSMOS

Un breve repaso a la historia de la Física de Partículas.

Albert Einstein

                 Los principios de la verdad son siete: el que comprende esto perfectamente, posee la clave mágica ante la cual todas las puertas del Templo se abrirán de par en par:

                - El TODO es mente, el universo es mental.

                - Como arriba es abajo, como abajo es arriba.

                - Nada está inmóvil; todo se mueve; todo vibra.

                - Todo es doble, todo tiene dos polos; todo, su par de opuestos: los semejantes y los antagónicos son lo mismo; los opuestos son idénticos en naturaleza, pero diferentes en grado; los extremos se tocan; todas las verdades son semiverdades; todas las paradojas pueden reconciliarse.

                - Todo fluye y refluye; todo tiene sus períodos de avance y retroceso; todo asciende y desciende; todo se mueve como un péndulo; la medida de su movimiento hacia la derecha, es la misma que la de su movimiento hacia la izquierda; el ritmo es la compensación.

                - Toda causa tiene su efecto; todo efecto tiene su causa; todo sucede de acuerdo con la Ley; la suerte no es más que el nombre que se le da a una ley no conocida; hay muchos planos de casualidad, pero nada escapa a la Ley.

                - La generación existe por doquier; todo tiene sus principios masculino y femenino; la generación se manifiesta en todos los planos.

El Kybalión.

                La materia es la simple visibilidad de la voluntad.

Arthur Schopenhauer.

                Hace mucho tiempo que estoy convencido, y conmigo muchos otros amantes de la naturaleza, de que las diversas modalidades de las fuerzas de la materia tienen un origen común, es decir, que están relacionados con tan directa interdependencia que pueden transmutarse una en otra con equivalente potencia de actuación.

Bulwer Lytton.

                Las proposiciones matemáticas, en cuanto tienen que ver con la realidad, no son ciertas, y en cuanto que son ciertas, no tienen nada que ver con la realidad.

Albert Einstein.

La búsqueda del microcosmos.

            El orden existente en el universo, la disposición de la materia a escala cósmica, no es sino un remedo del microcosmos establecido por las substancias elementales y el átomo; como arriba es abajo, como abajo es arriba, según reza el dictado hermético. Así pues, la Física Cuántica, la Física de las partículas elementales, se hace imprescindible si queremos obtener un conocimiento global del Cosmos. Este fue el planteamiento de la Alquimia: la comprensión y transmutación de los elementos, ascendiéndolos de grado en grado en la escala de la perfección, para así conocer el proceso de transmutación genérico y poder aplicarlo en el desarrollo evolutivo de todo lo creado, incluyendo en dicho proceso al propio alquimista, y con él a la humanidad.

            Por consiguiente, todo el conocimiento alquímico provenía del estudio directo de la Naturaleza y sus elementos, observado desde todas sus perspectivas. Las substancias elementales eran para los alquimistas un agregado de materia corpuscular cohesionado por un ánima espiritual, e inherente, según su naturaleza, a los diferentes grupos elementales: Aire, Agua, Tierra y Fuego; pero estos grupos elementales no son cerrados, la transmutación de uno a otro entre los cuatro elementos se produce libremente en la Naturaleza, por lo que el conocimiento de las leyes que rigen dicho proceso permitiría obrar el milagro de transmutar el plomo en oro, o al hombre en dios. La Física actual da la razón al ideal alquímico:

            “La mente, así como todos los metales y demás elementos, pueden ser transmutados, de estado en estado, de grado en grado, de condición en condición, de polo a polo, de vibración en vibración. La verdadera transmutación es una práctica, un método, un arte mental”.

                                                                                                                                   El Kybalión.

            A la desaparición de la Alquimia esotérica le sucedió la implantación del análisis químico, cuyos

Antoine-Laurent de Lavoisier

métodos de descomposición y síntesis llevaron a una primera clasificación de las substancias elementales, comenzada por Antoine-Laurent de Lavoisier, y desarrollada a lo largo de todo el siglo XIX, hasta la realización del primer Sistema Periódico de los Elementos, llevado a cabo en 1879 por el químico ruso Dimitri Ivanovich Mendeleiev. Dichas substancias elementales fueron consideradas en su época como los estados indivisibles y diferenciados de la materia; cada átomo de una de tales substancias era capaz de mantener las mismas características químicas que un agregado de dicha substancia ofrecía en sus reacciones en laboratorio. El estudio de los elementos químicos fundamentales permitió efectuar la primera teoría de la composición genérica de la materia, considerando a todas las substancias compuestas como agregados de átomos de dos o más de los elementos primarios: el universo estaba compuesto de 92 substancias simples existentes en nuestro planeta en estado natural, más unas cuantas obtenidas artificialmente, y cuya inestabilidad les impide mantenerse en su estado original durante lapsos de tiempo que en ocasiones no superan la milésima de segundo.

            Pero, sin embargo, el relanzamiento de la teoría atómica, propuesta siglos antes por Demócrito, tardó aún en imponerse, y no fue sino hasta finales del siglo XIX y principios del XX, cuando las investigaciones de James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann, entre otros científicos, mostraron que las propiedades del calor quedarían explicadas si la materia estuviera compuesta por partículas, y que el calor sería el resultado de una mayor vibración de dichas partículas. Paralelamente las mediciones de las cargas eléctricas llevadas a cabo por Robert Millikan, junto con el famoso experimento de los rayos catódicos realizado por Joseph John Thomson en 1897, pusieron de manifiesto la naturaleza del electrón. Esta nueva teoría atómica supuso el origen de una nueva serie de estudios aún más determinantes para el conocimiento de la composición de la materia; a la pregunta sobre la indivisibilidad del átomo, la experiencia contestó abriendo un alucinante submundo de unas pocas partículas, cuya agregación, en calidad y número diferentes, originaban las características químicas inherentes a cada elemento.

            Tras los experimentos de Ernest Rutherford se constató que el átomo quedaba constituido por un

Ernest Rutherford

núcleo con carga positiva, esta carga es múltiplo de la del protón, identificado como el núcleo del átomo del elemento más simple conocido: el Hidrógeno; sin embargo, la masa de átomos más complejos también se aproximaban a este múltiplo, pero en este caso, la aproximación no era exacta. De esto se infería la necesidad de que existiera otra partícula, de masa parecida a la del protón, pero con carga eléctrica neutra: el neutrón. Alrededor de este núcleo giran los electrones, simulando un sistema planetario a escala infinitesimal. Cada electrón tiene una carga eléctrica similar a la del protón, pero de signo contrario, sin embargo su masa es unas dos mil veces menor; estos electrones están en una cantidad igual a la carga eléctrica del núcleo, por lo que el átomo en estado natural es eléctricamente neutro.

            El enlace químico en las substancias compuestas se explica por la posibilidad de perder cada átomo uno o más electrones, quedando descompensada esta paridad eléctrica, que debe ser reequilibrada mediante la anexión de tantos electrones como fueron perdidos, incluidos en uno o más átomos distintos, quedando así dichos átomos íntimamente ligados y creando agregados llamados moléculas. Pero también esta movilidad de los electrones fue estudiada como explicación de la corriente eléctrica y del campo electromagnético.

Los gemelos Dioskuros: Materia y Energía.

Los gemelos Dioscuros Cástor y Pólux

            Como consecuencia del descubrimiento de la estructura subatómica, y paralelamente a dicho trabajo, las investigaciones de Ernest Rutherford, Max Planck, James Clerk Maxwell y otros físicos del período de entre siglos, así como el experimento de Michelson-Morley y, sobre todo, las ecuaciones de Einstein, llevaron al abandono de la mecánica clásica y al planteamiento de los nuevos conceptos de la Física cuántica y relativista. A la luz de estas nuevas teorías se explicaron muchos fenómenos cruciales para el desarrollo de la Ciencia, entre ellos la panigualdad de materia y energía expresado en la conocida fórmula Einsteniana E = m.c ² (simbolizada en el mito samotraciense de los gemelos Dioskuros, hijos del cielo, que han de morir y resucitar alternativamente, siendo imprescindible que uno de ellos muera para que el otro viva), y la constitución de la luz integrada por su ambivalente naturaleza corpuscular y ondulatoria.

            Así pues, antes del primer tercio de siglo ya se había reducido la estructura básica de la materia de 92 elementos naturales a sólo cuatro corpúsculos: Protón, Neutrón, Electrón y Fotón.

            Sin embargo, el nuevo modelo atómico presentaba serios problemas para los investigadores, por ejemplo, si el núcleo de un átomo está compuesto por protones con la misma carga eléctrica, ¿cómo es que no se repelen disgregando la estructura atómica? La única fuerza conocida hasta entonces, capaz de cohesionar dos objetos por causas distintas a las electromagnéticas, es la gravitatoria; pero ésta resulta demasiado débil para mantener unido el núcleo atómico. Los experimentos de Rutherford demostraron la existencia de otras fuerzas distintas de las electromagnéticas con propiedades totalmente diferenciadas: en primer lugar no siguen las leyes de repulsión de cargas iguales y, en segundo lugar, se manifiestan con una intensidad muchísimo mayor que las eléctricas; esta fuerza recibió el nombre de interacción fuerte pero, sin embargo, su radio de acción es sumamente limitado, del orden de 10^-13 cm.

            En 1947, Cecil F. Powell y sus colaboradores de la Universidad de Bristol encontraron estudiando los rayos cósmicos, a partir de la teoría del japonés Hideki Yukawa, dos nuevas partículas que denominaron mesón p o pion y mesón m o muon; la primera  causante de grandes interacciones con los núcleos atómicos y predicha por Yukawa, y la segunda con una interacción sumamente débil, encontrada años antes por Anderson, aunque sin definir en su momento. Ambas partículas se desintegran en un breve lapso de tiempo. Posteriormente se demostraría la existencia de tres piones distintos uno con carga +1 (tomando como unidad de carga la del protón y electrón), otro con carga 0 y el tercero con carga -1, designados como p⁺, p⁰ y p^-, cuyas masas eran ligeramente distintas pero con el resto de propiedades prácticamente idénticas.

            Paralelamente al descubrimiento de la estructura atómica, se fue profundizando en la causa de los

Antoine Henri Becquerel

procesos radiactivos detectados el siglo anterior por Antoine Henri Becquerel: en los átomos de elementos ligeros, los neutrones están fuertemente ligados al núcleo atómico como consecuencia de las fuerzas nucleares; sin embargo, en los núcleos de elementos pesados estas fuerzas pueden verse superadas por las electromagnéticas, con lo que el neutrón muestra una naturaleza mucho más inestable, tal que si queda desligado del núcleo se desintegra en un protón y un electrón: n® p+e.

            Cuando esto sucede, el núcleo queda descompensado; el resultado suele ser la ruptura de dicho núcleo en otros dos de características más estables, generalmente un núcleo de helio (radiación alfa) y un núcleo de plomo o algún otro elemento menos pesado que el original. En todo este proceso se libera el exceso de energía en forma de radiación gamma, consistente en un haz de fotones de muchísima mayor intensidad que la luz visible.

            Un estudio detallado del proceso de desintegración del neutrón, realizado por el austríaco Wolgang Pauli, demostró que la reacción n® p+e no explica totalmente la interacción producida en el núcleo; en esta reacción se hacía evidente una falta de energía, que debía estar manifestada en una nueva partícula sin carga eléctrica, con una interacción muy débil sobre la materia y una masa nula o extremadamente pequeña. Cuando Pauli comentó a Enrico Fermi este descubrimiento, indicándole que esta nueva partícula poseía características en cierto modo similares a las del neutrón, éste exclamó una de las frases arquetípicas del ingenio italiano: “¡Questa particella non e un neutrone, ma un neutrino!” El nombre de neutrino para la nueva partícula quedó aplicado de inmediato, expresándolo con el símbolo v; así pues, la desintegración del neutrón quedó definida:

                                                                  n® p+e+v.

Paul Dirac

            Las características del neutrino lo presentaban como una partícula de interacción sumamente débil, por lo que sería capaz de atravesar cualquier tipo de materia como si esta no existiera; nuestro cuerpo está siendo constantemente atravesado por millones de neutrinos procedentes del Sol y del espacio. Investigaciones posteriores demostraron la existencia de tres tipos distintos de neutrinos: cuando se produce una desintegración atómica mediante una colisión, aparecen neutrinos acompañados por una producción de electrones, éste es llamado neutrino electrónico v_e; otro que en el mismo supuesto resulta acompañando de muones, llamado neutrino muónico v_m; y un tercero que acompaña al tauón o neutrino tauónico v_T. Las características de todos estos neutrinos son casi exactamente idénticas, excepto en la extraña cualidad de acompañar en la producción de partículas diferentes.

            Fue ya en 1930 cuando el inglés Paul Dirac predijo la existencia del positrón, y por tanto de la antimateria, siendo encontrada experimentalmente en 1932 por el norteamericano Carl David Anderson en el Instituto de Tecnología de California. Cada partícula descubierta posteriormente tenía un representante idéntico en la antimateria. Las propiedades de partícula y antipartícula son exactamente iguales, excepto en la carga eléctrica (y alguna otra) que es opuesta; cuando partícula y antipartícula se encuentran, ambas se desintegran en el vacío. Si a este vacío se le aplica energía pueden crearse pares partícula-antipartícula. A pesar de lo novedosa que esta idea pudiera resultarle a algún lector, este proceso se verifica diariamente en numerosos laboratorios de todo el mundo.

Partículas extrañas y antimateria.

            En tiempos más recientes fueron apareciendo las denominadas “partículas extrañas” agrupadas

Yuval Ne'eman

principalmente en dos tipos: “mesones extraños”, de propiedades parecidas al pion, y “bariones extraños” o “hiperiones”, de propiedades parecidas a los nucleones (protón y neutrón). El físico israelí Yuval Ne'eman aseguraba totalmente convencido que dichas partículas habían sido inventadas por Dios cuando los científicos creían que ya estaba todo descubierto, con el fin de que los físicos no se quedaran sin trabajo. La clasificación posterior de las partículas subatómicas supuso su división en dos grandes grupos: Leptones, en las que se incluían todas aquellas que interaccionaban débilmente (electrón, muon, tauón y neutrinos), y por otro lado los Hadrones, donde se englobaban todas las que interaccionaban fuertemente (nucleones y partículas extrañas).

            En 1964 fue postulado por Gell-Mann y Zweig que los hadrones no eran en sí mismos partículas elementales, sino que éstos, a su vez, estaban constituidos por unos nuevos corpúsculos denominados quarks. Sin embargo el modelo de quarks planteaba serios problemas: a largas distancias, las interacciones entre ellos deberían ser tan fuertes que impidieran su liberación, y a cortas distancias dicha interacción debería ser muy débil para coincidir con las experiencias realizadas en el laboratorio, en las que los quarks aparecían como libres.

            El desarrollo posterior de la física supuso la aplicación de planteamientos teóricos que resolvían unos problemas determinados pero que originaban otros no menos importantes, y todo ello a costa de abandonar el mundo "observacional" de las partículas “fácilmente detectables”: protones, muones, etc. A pesar de todo, el estado actual de las investigaciones en Física subatómica ha permitido establecer una clasificación, llamdo “Modelo Estandar”, de partículas primero predichas por la teoría y, posteriormente descubiertas mediante experimentación. En el cuadro siguiente detallamos las características de todas estas partículas:

CONOCIMIENTO ACTUAL DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES                                   Las marcadas con un asterisco aún no han sido                                                observadas experimentalmente.
PARTÍCULA	SÍMBOLO	CARGA ELÉCTRICA           (en unidades de la         carga del protón)	ESPÍN[1]    en unidades       de h/2p	MASA
LEPTONES Electrón Muon Tauón Neutrino electrónico Neutrino muónico Neutrino tauónico	e       m       T       v e      v m      v T	-1               -1               -1                 0                0                0	1/2       1/2       1/2       1/2       1/2       1/2	0,51 MeV         106 MeV        1777 MeV   0.0000022 MeV        0.17 MeV        15.5 MeV
QUARKS Down Up Strange Charm Bottom Top	d       u        s        c       b        t	-1/3              2/3              -1/3              2/3              -1/3              2/3	1/2       1/2       1/2       1/2       1/2       1/2	4-8 MeV 1,7-3.1 MeV 80-130 MeV 1150-1350 MeV 4,19 GeV 173 GeV
Gluones Fotón Bosones vectoriales Bosón Z Higgs Gravitón*	g y   W+ W -       Z      H 0       G	0                0 +1, -1                0                0                0	1 1         1         1         0         2	0         0    80 GeV    91 GeV   125 GeV         0

            Así pues, la materia queda dividida en dos grupos: quarks y leptones, perteneciendo el último apartado del cuadro a lo que se denomina “campos gauge”; por ejemplo el fotón, asociado al campo electromagnético, o el aún no descubierto gravitón, asociado al campo gravitatorio. La hipótesis propuesta por Demócrito seguía siendo válida, sólo que su concepto del átomo se corresponde con el de partícula elemental puesto ahora de manifiesto. También sabemos que a cada una de estas partículas le corresponde su antipartícula: electrón-positrón, muon-antimuón, gluon-antigluón, etc., en consecuencia con la facultad de polarización del vacío cuántico.

Gran Unificación y Superunificación.

            Otra circunstancia que surgió con el estudio de las partículas elementales fue la posibilidad de unificación de las fuerzas nucleares fuertes y electrodébiles en un mismo sistema, lo que llevó a efectuar los planteamientos de “Gran Unificación” y “Superunificación”, avanzando el primero de ellos que todas las interacciones, excepto la gravitatoria, son parte de una interacción única; Pati, Salam y Georgi, entre otros, basaron el esquema suponiendo la existencia de un espacio interno de cinco dimensiones[2], llamado "esquema SU(5)", que calculaba la energía a que tenía lugar esta gran unificación en valores muy cercanos a la llamada energía de Planck, en la que los efectos cuánticos de la gravitación comienzan a ser importantes; al mismo tiempo, el sistema explica la curiosidad de que todas las cargas de las partículas elementales sean múltiplos del quark d, al tiempo que predice sus valores; y lo que es más importante, la teoría anuncia que los protones son inestables. El cálculo de la vida media del protón da como resultado 10²⁹ años. Asimismo, esta teoría también permite distinguir entre los dos sentidos de la evolución en el tiempo, esto es, de pasado a futuro y de futuro a pasado.

            Por desgracia, este y otros sistemas de gran unificación resultan inconsistentes cuando se plantea el problema llamado de “jerarquía”, al tener que considerar como simétricas partículas que difieren grandemente en masa, aparte de otros problemas relacionados con las interacciones. A pesar de todo, la idea de un sistema de gran unificación, considerando que las predicciones aportadas resultan impresionantemente acertadas, parece ser la clave para la explicación del funcionamiento íntimo de la materia.

Descubrimiento del bosón de Higgs y la Nueva Física.

Peter Ware Higgs

            El problema del origen de la masa trajo de cabeza a los científicos desde el comienzo de la investigación en física de partículas. Tres artículos publicados de forma independiente en 1964 abordaron este problema; Uno de ellos, publicado por Peter Ware Higgs fue completado por el mismo autor en 1966. En ambos artículos Higgs desarrolla las ecuaciones que predicen las características de una partícula sumamente esquiva, un bosón que sería capaz de crear un campo en el que las demás partículas adquirirían masa. En caso de ser descubierta, esta partícula daría la coherencia que le faltaba al Modelo Estandar, por lo que fue apodada “La particula divina”

            Tras una búsqueda exahustiva a cargo de diferentes equipos utilizando aparatos como el Tevatrón del Fermilab (Illinois, EE.UU.) y el Large Electron.Positron Collider del CERN (Meyrin, Suiza), en una sana rivalidad por ser los primeros en detectar el huidizo bosón, descubrieron que ambas instalaciones carecían de la energía suficiente para obtener resultados favorables; hubo que esperar al desarrollo de un nuevo instrumento, el “Gran Colisionador de Hadrones” o LCH, también en el CERN, consistente en un enorme anillo de 27 km. de circunferencia y situado a una profundidad de 175 metros, para reemprender las pesquisas con más garantías.

            Con este nuevo aparato, dos experimentos realizados a finales de 2011 con los detectores ATLAS y CMS del LCH encontraron finalmente el bosón. El descubrimiento fue anunciado formalmente el 4 de julio de 2012.Con este hecho se inició un espacio apasionante para lo que pasó a denominarse Nueva Física, donde se abrían las posibilidades para estudiar los misterios recién descubiertos del Universo: La Materia Oscura y la Energía Oscura; pero esta investigación será abordada en un futuro artículo.

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    [1] El espín es la propiedad de giro de todas las partículas. La mecánica cuántica indica que el giro ha de mantener una relación con el momento cinético que suponga un múltiplo entero de h/4p, donde h es la constante de Planck (h = 2p x 1.055 x 10^-34). El espín de electrón y del protón son ambos de h/4p, y puesto que todo espín es múltiplo de éste, resulta más cómodo simplificar y tomar como unidad h/2p, por lo que resulta que el espín del protón y del electrón es de 1/2.

    [2] Resulta paradójico imaginar un espacio interno de cinco o más dimensiones, según las diferentes teorías propuestas, dentro del mundo subatómico, en el que las partículas son puntuales, esto es, carecen de dimensión; aunque las teorías supersimétricas proponen la posibilidad de que tales partículas pudieran ser no sólo puntos, sino cuerdas o membranas, en dichas teorías, llamadas “Teoría de Cuerdas”, “Teoría de Supercuerdas” y “teoría M”, se postula la existencia de hasta 10 dimensiones espaciales.