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Artículo publicado por Matthew R. Francis el 22 de septiembre de 2015 en Symmetry Magazine

¿Es posible que estos bloques básicos fundamentales de los átomos tengan un tiempo de vida finito?

La materia de nuestra vida cotidiana está hecha de átomos, y todos los átomos están hecho de las mismas tres cosas: electrones, protones y neutrones.

Protones y neutrones son partículas similares en muchos aspectos. Están hechos de los mismos quarks, que son partículas aún menores, y tienen casi exactamente la misma masa.

Aunque los neutrones parecen diferenciarse de los protones en un aspecto importante: no son estables. Un neutrón fuera de un núcleo atómico se desintegra en cuestión de minutos en otras partículas.

atom hydrogen

Átomo de hidrógeno


¿Qué hay de los protones?

Un protón libre es un elemento bastante común en el cosmos. Gran parte de la materia común (en oposición a la materia oscura) de las galaxias, y más allá, aparece en forma de plasma de hidrógeno, un gas caliente hecho de protones y electrones no unidos. Si los protones fuesen inestables, como los neutrones, el plasma, finalmente, se desvanecería.

Pero esto no sucede. Los protones, ya sea en el interior de los átomos o viajando libres por el espacio, parecen ser notablemente estables. Nunca hemos visto la desintegración de uno de ellos.

Sin embargo, no hay nada fundamental en la física que prohíba la desintegración de un protón. De hecho, un protón estable sería excepcional en el mundo de la física de partículas, y varias teorías requieren de la desintegración de los protones.

Si los protones no son inmortales, ¿qué pasa con ellos cuando mueren, y qué implica esto para la estabilidad de los átomos?

La física fundamental se asienta sobre las leyes de conservación: ciertas cantidades que se conservan, como la energía, momento, y carga eléctrica. La conservación de la energía, combinada en la famosa ecuación E=mc2, significa que las partículas de masa baja no pueden cambiar hacia otras de masa mayor sin una aporte de energía. Combinar la conservación de la energía con la conservación de la carga eléctrica, nos dice que los electrones, probablemente, son estables para siempre: no existe ninguna partícula de menor masa con una carga eléctrica negativa, hasta donde llega nuestro conocimiento.

Los protones no tienen la misma restricción: son más masivos que otras partículas con carga positiva, y el hecho de que estén compuestos por quarks les permite varias formas de morir.

En comparación, un neutrón se desintegra en un protón, un electrón, y un neutrino. Tanto energía como carga eléctrica se conservan en la desintegración: un neutrón es apenas más pesado que un protón y un electrón combinados, y la carga positiva del protón se equilibra con la negativa del electrón para asegurar que la carga eléctrica neta es cero antes y después de la desintegración. (El neutrino o, técnicamente, el antineutrino, su versión de antimateria, es necesario para equilibrar otras cosas, pero eso es una historia para otro día).

Debido a que los átomos son estables y nunca hemos visto morir a un protón, tal vez esto implica que los protones son intrínsecamente estables. No obstante, tal como señala Kaladi Babu de la Universidad Estatal de Oklahoma, no existe una “ley de conservación del protón”, similar a la conservación de la carga, para preservar al protón.

“Te haces las preguntas: ¿Qué pasa si se desintegra el protón?”, comenta. “¿Viola algún principio fundamental de la física? Y la respuesta es no”.

Sin GUTs no hay gloria

Entonces, si no hay ninguna ley que impida la desintegración del protón, ¿hay alguna razón para que los científicos esperen ver una? Sí. La desintegración del protón es la predicción comprobable más sólida de varias Teorías de la Gran Unificación, o GUTs.

Las GUTs unifican tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. (La gravedad no se incluye debido a que no tenemos una teoría cuántica para ella por el momento).

La primera GUT, propuesta en la década de 1970, fracasó. Entre otras cosas, predecía un tiempo de vida para el protón lo bastante corto como para que los experimentos hubiesen observado desintegraciones donde no las había. Sin embargo, la idea de gran unificación aún era lo suficientemente valiosa como para que los físicos de partículas siguiesen en su búsqueda.

“La idea de la gran unificación es realmente preciosa, y explica muchas cosas que parecen extrañas coincidencias”, dice el teórico Jonathan Feng, físico en la Universidad de California en Irvine.

Feng está particularmente interesado en las GUT que implican supersimetría, una rama de la física de partículas que, potencialmente, podría explicar una amplia variedad de fenómenos, incluyendo la invisible materia oscura que mantiene unidas a las galaxias. Las GUTs supersimétricas predicen algunas nuevas interacciones que, como agradable efecto secundario, dan como resultado un tiempo de vida más largo para los protones, aunque aún dejan la desintegración del protón dentro del dominio de la detección experimental. Debido a las diferencias entre las GUTs supersimétricas y las no supersimétricas, Feng dice que la tasa de desintegración del protón podría ser la primera señal real de supersimetría hallada en el laboratorio.

Sin embargo, la supersimetría no es algo necesario para las GUTs. Babu confía en una GUT que comparte muchas de las ventajas de las versiones supersimétricas. El nombre técnico de esta GUT es SO(10), que toma su nombre de su estructura matemática, la cual implica rotaciones en 10 dimensiones imaginarias. La teoría incluye importantes características que no aparecen en el Modelo Estándar, como la masa del neutrino, y podrían explicar por qué hay mucha más materia que antimateria en el cosmos. Naturalmente, predice la desintegración del protón.

Mucho depende de la existencia de la desintegración del protón, y aún nadie ha visto morir a uno de ellos. La razón puede ser, simplemente, que los protones se desintegran raramente, una hipótesis respaldada tanto experimental como teóricamente. Los experimentos dicen que la vida del protón tiene que ser mayor que unos 1034 años: eso es un uno seguido por 34 ceros.

Para comparar, el universo sólo tiene 13 800 millones de años que es, aproximadamente, un 1 seguido por 10 ceros. Los protones, de media, durarían más que cualquier estrella, galaxia, y planeta, incluso aquellos que aún no han nacido.

La frase clave en la última frase es “de media”. Como señala Feng, eso no significa que “cada protón aislado dure 1034 años, y luego a los 1034 años ¡boom! ¡poof! desaparezcan todos a la vez en una cortina de humo”.

Gracias a la física cuántica, el momento en que un protón se desintegra es aleatorio, por lo que una pequeña fracción se desintegrará mucho antes de esos 1034 años de vida. Por tanto, “todo lo que tienes que hacer es lograr un buen puñado de protones juntos”, explica. Aumentar el número de protones aumenta la probabilidad de que uno de ellos se desintegre mientras estás observando.

El segundo paso clave es aislar el experimento de las partículas que podrían imitar la desintegración del protón, por lo que cualquier experimento realista que busque la desintegración del protón debe estar situado a gran profundidad bajo el terreno para aislarlo de las partículas aleatorias que pululen por allí. Ésa es la estrategia que persigue el actualmente operativo experimento Super-Kamiokande en Japón, que consta de un enorme tanque de 50 000 toneladas de agua en una mina. El próximo experimento, Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), se situará en una antigua mina de oro en Dakota del Sur, y constará de 40 000 toneladas de argón líquido.

Debido a que los experimentos están basados en distintos tipos de átomos, son sensibles a distintas formas de desintegración de los protones, que podrían revelar qué GUT es correcta… si es que alguno de los modelos actuales es correcto. Tanto Super-Kamiokande como DUNE son experimentos de neutrinos, señala Feng, “pero estamos tan interesados en las posibilidades de estos experimentos para la desintegración del protón como lo estamos en los neutrinos”.

Después de todo, la desintegración de los protones se deduce a partir de profundas ideas de cómo funciona el cosmos a nivel fundamental. Si los protones se desintegran, es un hecho tan raro que los cuerpos humanos no se verían afectados, pero sí nuestra comprensión. El impacto de tal conocimiento sería inmenso, y merece la pena un poco de inestabilidad.

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