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Artículo publicado por Matthew R. Francis el 2 de junio de 2016 en Symmetry Magazine

“¿Es un punto o una mota? ¿Cuando se sumerge bajo el agua, se moja? ¿O es el agua la que se impregna de él? Nadie lo sabe”. —They Might Be Giants, “Particle Man”.

Aprendemos en la escuela que la materia está compuesta de átomos, y que los átomos están hechos de ingredientes más pequeños: protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están hechos de quarks, pero los electrones no. Hasta donde sabemos, los quarks y los electrones son partículas fundamentales, no están formadas por nada menor.

Qué es una partícula

Qué es una partícula. Crédito: Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha

Una cosa es decir que todo está hecho de partículas pero, ¿qué es una partícula? ¿Y qué significa decir que una partícula es “fundamental”? ¿De qué están hechas las partículas, si no están compuestas de unidades más pequeñas?

“En el sentido más amplio, ‘partículas’ son cosas físicas que podemos contar”, dice Greg Gbur, escritor científico y físico en la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte. No puedes tener medio quark, o un tercio de electrón. Y todas las partículas de un tipo dado son idénticas entre sí: no aparecen en variaciones de color, o tienen pequeñas placas identificativas que las distingan. Dos electrones cualesquiera producirán el mismo resultado en un detector, y esto es lo que los hace fundamentales: No vienen en un surtido variado.

Y no es sólo la materia: la luz también está hecha de partículas, llamadas fotones. La mayor parte del tiempo los fotones son inapreciables, pero los astronautas informan de destellos de luz incluso tienen los ojos cerrados, debido a un fotón de rayo gamma aislado que se mueve a través del fluido en el interior del ojo. Estas interacciones con partículas crean los fotones de luz azul conocidos como luz de Cherenkov — suficiente para activar la retina, que puede “ver” un único fotón (aunque se necesitan muchos más para tener una imagen de algo).

Campos de partículas

Sin embargo, esto no es todo: podemos contar partículas, pero pueden crearse y destruirse, e incluso cambiar de tipo bajo ciertas circunstancias. Durante un tipo de reacción nuclear conocida como desintegración beta, un núcleo emite un electrón y una partícula fundamental conocida como antineutrino, mientras que un neutrón en el interior del núcleo cambia a protón. Si un electrón se encuentra con un positrón a baja velocidad, se aniquilan, dejando sólo rayos gamma; a altas velocidades, la colisión crea un montón de partículas nuevas.

Todos hemos oído hablar de la famosa ecuación de Einstein E=mc2, parte de la cual significa que crear una partícula requiere una energía proporcional a su masa. Los neutrinos, que tienen una masa muy baja, son fáciles de crear; los electrones tiene un umbral más alto, mientras que los pesados bosones de Higgs necesitan una descomunal cantidad de energía. Los fotones son los más fáciles de crear, debido a que no tienen masa ni carga eléctrica, por lo que no se necesita superar ningún umbral de energía.

Pero se necesita algo más que energía para crear nuevas partículas. Puedes crear fotones acelerando electrones a través de un campo magnético, pero no puedes crear neutrinos ni más electrones de tal forma. La clave es cómo interactúan estas partículas usando las tres fuerzas cuánticas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, y la fuerza nuclear fuerte. Sin embargo, esas fuerzas también están descritas usando partículas en la teoría cuántica: el electromagnetismo está transportado por los fotones, la fuerza débil está gobernada por los bosones W y Z, y la fuerza fuerte implica a los gluones.

Todo esto se describe mediante una idea conocida como “teoría cuántica de campos”.

“La teoría de campos abarca la mecánica cuántica, y la mecánica cuántica, a su vez, abarca al resto de la física”, comenta Anthony Zee, físico en el Instituto Kavli para Física Teórica y la Universidad de California en Santa Barbara. Zee, que ha escrito varios libros sobre teoría cuántica de campos tanto para científicos como para el público general, admite que: “Si presionas a un físico para que te diga qué es un campo, te dirá que un campos es lo que es”.

A pesar de la vaguedad del concepto, los campos describen todo. Dos electrones que se aproximan entre sí agitan el campo electromagnético, creando fotones como ondas en un estanque. Estos fotones entonces empujan a los electrones separándolos.

¿Qué ondas?

Las ondas son la mejor metáfora para comprender las partículas y los campos. Los electrones, además de ser partículas, son también ondas en el “campo de electrones”. Los quarks son ondas en el “campo de quarks” (y dado que hay seis tipos de quarks, hay seis campos de quarks), y así sucesivamente. Los fotones son como olas en el agua: pueden ser grandes o pequeñas, violentas o apenas perceptibles. Los campos que describen las partículas de materia son más similares a ondas en una cuerda de guitarra. Si no tensas la cuerda lo suficiente, no obtendrás ningún sonido: tienes que superar el umbral e energía correspondiente a la masa de un electrón para crear uno. Con suficiente energía, no obstante, tendrás el primer armónico, que es una nota clara (para la cuerda) o un electrón (para el campo).

Como resultado de todo este pensamiento cuántico, a menudo es de poca ayuda pensar en partículas como en pequeñas pelotas.

“Los fotones [y las partículas de materia] viajan libremente a través del espacio como ondas”, comenta Gbur, incluso aunque pueden explicarse como si fuese pelotas.

La metáfora no es perfecta: los campos para los electrones, el electromagnetismo y todo lo demás llenan el espacio-tiempo, en lugar de ser una cuerda unidimensional, o la superficie bidimensional de un estanque. Como comenta Zee, “¿Qué es lo que ondula cuando una onda electromagnética viaja por el espacio? ¡Nada! No tiene que haber agua como en el caso de la ola en el agua”.

Y, por supuesto, aún quedan preguntas por hacer: Si las partículas proceden de los campos, ¿son estos campos fundamentales, o hay una física más profunda implicada? Hasta que no aparezca una teoría que ofrezca algo mejor, la descripción de las partículas de la materia y de las fuerzas, es algo en lo que debemos confiar.

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