Partículas elementales al 2013
En los últimos cien años hemos descubierto que todo lo que podemos observar en el universo está hecho a base de únicamente doce partículas fundamentales: leptones (electrón, muón, tau, neutrino electrón, neutrino muón y neutrino tau) y quarks (up, down, charm, strange, top y bottom). La forma en que estas partículas se agrupan e interaccionan entre sí está regida por las fuerzas que existen en la naturaleza y sabemos de al menos cuatro: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. En el mundo microscópico solo las últimas tres son relevantes ya que la gravedad es extremadamente débil como para jugar un rol. Cada una de ellas se manifiesta a través de la existencia de otras partículas que son llamadas mediadoras de las interacciones y que llamamos fotón (asociado a la interacción electromagnética), las partículas Z, W+ y W- (asociadas a la interacción nuclear débil) y 8 partículas llamadas gluones (asociadas a la interacción nuclear fuerte).
La existencia de todas estas partículas ha sido verificada en múltiples experimentos realizados en varios aceleradores alrededor del mundo durante los últimos 100 años. La última de estas partículas en ser producida y detectada en un experimento fue el neutrino tau, cuya existencia fue confirmada hace poco más de 10 años.
Estas partículas son los componentes básicos del universo visible. Para entender cómo es que se pueden producir y cómo pueden formar todo lo que observamos, fue necesario diseñar un marco matemático basado en las leyes físicas que gobiernan las interacciones entre ellas. En otras palabras, tuvimos que construir la teoría a través de la cual se pudiera entender lo que sucede. En física la palabra teoría se refiere a la serie de leyes y relaciones matemáticas que describen, de manera verificable, los diferentes fenómenos naturales. A diferencia de otras disciplinas del conocimiento, en la física las teorías no son cuestiones de opinión ni discurso. Las teorías, para ser consideradas válidas, tienen que explicar los observado y hacer predicciones específicas de nuevos fenómenos que permitan invalidarlas si éstos no ocurren. Una característica de las teorías es que siempre son incompletas y su rango de validez es limitado. Siempre están en crecimiento y mejora. Muchas de ellas están basadas en modelos que comienzan simplificando la naturaleza y poco a poco se van complicando y/o perfeccionando. En otras palabras, las teorías verificadas y válidas representan el conglomerado de conocimiento científico hasta el momento.
Sheldon Glashow con Abdus Salam y Steven Weinberg en la ceremonia del Nobel.
La teoría que describe todo lo relacionado con las partículas fundamentales se conoce como el Modelo Estándar (ME) y está basado en la conjugación armónica de los dos grandes desarrollos científicos del siglo pasado: la mecánica cuántica y la relatividad especial. El ME fue construido el siglo pasado por varias personas entre las que destacan de manera importante los físicos Steven Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam. El ME es extremadamente exitoso y describe con una precisión increíble todas las observaciones realizadas en todos los experimentos. Es el modelo más preciso y de mayor alcance jamás hecho por el ser humano.
Bueno, eso lo sabemos hoy, después de décadas de experimentos minuciosos que así lo atestiguan. Sin embargo, cuando fue propuesto por primera vez, hace alrededor de 40 años, tenía un pequeño problema. El ME predecía que ninguna partícula fundamental debería tener masa, mientras que los experimentos mostraban que muchas de las partículas tenían (tienen) masa. No era un problema sencillo ya que significaba que el ME, aunque atractivo, en realidad no servía. De hecho muchos científicos no lo tomaron en cuenta al inicio precisamente por esa predicción descabellada e incorrecta. ¡Obviamente estaba mal!
Peter Higgs (1954)
Cuando un modelo es incorrecto existen dos posibles caminos: desecharlo y crear otro, o hacer modificaciones y ver si se puede corregir. Cuál camino se sigue depende de muchos factores. Puede ser que a alguien se le ocurra generar ideas completamente nuevas, lo cual es siempre difícil aunque ocurre con frecuencia, o puede ser que alguien vea una posible modificación que resuelva el problema sin tener que cambiar todo. Es como si se nos rompe un pantalón; si el agujero no es muy grande, es posible que en lugar de tener que comprar otro, podamos colocar un parche. Por otro lado, si el agujero es enorme, o si se sigue rompiendo en varias partes hasta que tengamos mas parches que pantalón, entonces será evidente que la solución será buscar un pantalón nuevo. En el caso del ME lo que sucedió fue que Peter Higgs , un físico británico, encontró un parche que corrige el problema de la masa en el ME. Higgs sugirió la existencia de otra partícula que de existir, implicaría la existencia de masa para las partículas fundamentales. La solución era lo suficientemente atractiva y encajaba lo suficientemente bien con el ME que la mayoría de los científicos involucrados la tomaron en serio, además de que el pantalón estaba muy bonito y era difícil desecharlo.
Pero recordemos que en la física es necesario que las ideas sean verificadas. La solución del problema, llamada mecanismo de Higgs, implicaba la existencia de una partícula y debería ser observada en algún experimento. Se le empezó a buscar con ahínco inmediatamente. No se le encontró en los primeros intentos. Ni en los segundos. Ni en los terceros. Tuvieron que pasar casi 40 años para encontrarla.
#HablemosDeCiencia con Fefo 