¿De qué está hecha la materia (II)? Partículas, interacciones y el bosón de Higgs

En estos tiempos excitantes para la física, con el más que posible hallazgo del Bosón de Higgs, y todas las repercusiones mediáticas que está teniendo, vamos a dedicar una entrada a hablar un poco sobre partículas e interacciones, de la manera más sencilla y clara posible.

En el panorama actual de la Física, tenemos dos grandes teorías, la Relatividad y la Mecánica Cuántica. Cada una, en su campo de aplicación, funciona a las mil maravillas. La Relatividad, a nivel macroscópico (incluido el Universo como conjunto) y la Cuántica, a nivel subatómico.
A nivel cuántico, si que se ha logrado unificar tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (eletro-magnetismo, débil y fuerte), pero la cuarta fuerza, la gravitación, continúa en manos exclusivas de la Relatividad General. Están condenadas a entenderse, pero aún no se ha encontrado esa Gran Teoría Unificadora de todas las interacciones de la naturaleza.

En esta entrada vamos a centrarnos en el mundo subatómico, y dentro de él, en las partículas elementales y como interaccionan entre ellas. Dejaremos para otras entregas analizar en mayor profundidad cada uno de los tipos de partículas y sus características principales.

Partículas

Según en Modelo Estándar de Física de Partículas, podemos decir que las partículas elementales se agruparían en dos grandes familias:

• Fermiones. Son los constituyentes básicos de la materia. Estos a su vez se dividen en dos grupos: los quarks (los que forman protones, neutrones,...) y los leptones (como el electrón o los neutrinos).

• Bosones. Son los encargados de las interacciones entre los fermiones (la interacción electromagnética, la fuerte,...).

Estos dos tipos de partículas deben sus nombres a dos grandes físicos, el italiano Enrico Fermi y el indio Satyendra Nath Bose.

Los físicos Enrico Fermi y Satyendra Nath Bose.

Por decirlo de forma simple, el modelo estándar distingue entre partículas materiales de verdad (electrones, protones,...) y partículas portadoras de interacciones. Las partículas materiales están constituidas por fermiones y para interactuar entre ellas o con los campos, intercambian bosones.

Cada interacción fundamental en la naturaleza lleva asociado un bosón mediador de la misma. Y para poder "sentir" esa interacción (poder intercambiar bosones),  las partículas han de tener cierta propiedad determinada por cada tipo de interacción. Por ejemplo: la interacción electromagnética la tienen las partículas cargadas eléctricamente.

Interacciones

Las interacciones entre todas las partículas, descritas por el modelo estándar, son tres: electromagnética, débil y fuerte. Veámoslas con un poco más de detalle.

Intereacción electromagnética

El bosón responsable de la interacción electromagnética es el conocido fotón, la partícula portadora de todos los tipos de radiaciones electromagnéticas (rayos gamma, rayos X, los UV, el visible, el infrarrojo, microondas y ondas de radio). Las partículas materiales intercambian fotones cuando interactúan entre ellas sometidas a la fuerza electromagnética. Y la propiedad que se pone de manifiesto en estas interacciones en la carga eléctrica.

Dos electrones se "repelen", intercambiando un fotón.

Interacción nuclear débil

Los bosones portadores de la interacción nuclear débil son los W (el + y el -) y el Z. La interacción débil es la responsable, por ejemplo, de la desintegración beta, en la que un neutrón se convierte en un protón, clave en las reacciones nucleares:

  

En el siguiente diagrama, podemos ver como el neutrón (formado por dos quarks down y un quark up, udd) se transforma en protón (udu), cuando un quark down se transforma en uno del tipo up, emitiendo un bosón W, que a su vez se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico.

Interacción nuclear fuerte

Recordemos que los núcleos están formados por protones (carga +) y neutrones (sin carga). Y a todos nos suena eso de que: "cargas de igual signo se repelen...", por tanto ¿cómo van a estar esos protones (todos con carga +) "juntitos" en el núcleo? ¿no se separarían por esa fuerza repulsiva? Evidentemente los núcleos no se separan, son estables, existen. Y la responsable es la fuerza nuclear fuerte.

Es una interacción de corto alcance, a distancias muy pequeñas. El bosón portador de este campo es el gluón (palabra derivada de glue, pegamento). Y es que los gluones actúan como eso, como pegamento entre los quarks que forman los hadrones (protones, neutrones,...), impidiendo que se separen.

Los quarks están confinados formando, por ejemplo, un protón (tres quarks: up, up, down) y entre ellos se están intercambiando gluones que actúan como ganchos o pegamento y hacen que el protón sea estable.

Estructura interna de un protón.

Los quarks de los protones y los neutrones que están formando un núcleo, también intercambian gluones, a manera de una interacción fuerte residual. Esto es lo que hace que los núcleos sean estables y no se separen por la fuerza electromagnética repulsiva. [Ver anterior post sobre modelos atómicos]

Además de estás tres fuerzas elementales, también existe la interacción gravitatoria, con los supuestos gravitones como partículas mediadoras de la interacción, pero como decíamos más arriba, aún no se ha podido desarrollar una teoría cuántica de la gravedad.


Mecanismo de Higgs
En los años 60, al desarrollar las diferentes teorías y buscar una unificación entre el elctromagnetismo y la fuerza nuclear débil, se encuentra una falta de simetría, entre los bosones portadores de ambas fuerzas, ya que los fotones son partículas sin masa y las W y Z son partículas pesadas. Para explicar la masa de esos bosones W y Z, se postuló la existencia de un campo, denominado campo de Higgs, que explica la masa como el resultado de la interacción de las partículas con dicho campo. Partículas sin masa (como el fotón) no interactúan con ese campo y partículas con masa (como un electrón o un quark) sí que interaccionan. Peter Higgs fue en solitario uno de los proponentes de dicho mecanismo.

El físico inglés Peter Higgs.

Si existe ese campo de Higgs, por tanto debe existir una partícula asociada con las vibraciones de dicho campo, el bosón de Higgs. El modelo estándar quedó finalmente constituido haciendo uso de este mecanismo. Todas las partículas masivas interaccionan con este campo, y reciben su masa de él. Veamos un vídeo explicativo de como funciona:

Todo encajaba en el modelo estándar de partículas, salvo que aún no estaba demostrada la existencia del bosón de Higgs. Hasta que no ha estado a pleno rendimiento, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN,  ningún acelerador tenía la sufuciente potencia para producir y detectar esta partícula, debido a la gran masa de la misma.

Fue el pasado 4 de julio, cuando tras 50 años de búsqueda, por fin, parece que se cerro el último cabo suelto que quedaba en el Modelo Estándar de Física de Partículas, se demostró la existencia del Bosón de Higgs. Una fecha para la historia.