Según la física cuántica, todo lo que existe está compuesto de partículas. La materia, la luz, lo visible y lo invisible son partículas que rigen el funcionamiento del universo. Algunas son comunes y familiares para la mayoría, como los electrones. Otras son un poco más inusuales, como los quarks. Pero la idea básica de cualquier partícula es que es una entidad elemental, compuesta únicamente de materia. Un átomo se puede descomponer en protones, neutrones y electrones, pero una partícula no se puede descomponer en nada más. Con esto en mente, veamos algunos de los descubrimientos más asombrosos que la ciencia ha hecho, o al menos cree haber hecho.
10. Partícula de Dios
Cuando los científicos llaman a algo la partícula de Dios, en realidad la consideran algo más que simplemente grande. Para ser justos, el nombre correcto de la partícula es bosón de Higgs, pero el físico Leon Lederman ideó un apodo más llamativo porque lograr que los medios se interesen por las partículas no es fácil.
La existencia del bosón de Higgs se confirmó en 2013. Sin embargo, su existencia se teorizó en la década de 1960, por lo que su búsqueda se ha prolongado durante mucho tiempo. Stephen Hawking apostó 100 dólares a que nunca se descubriría, y perdió. También afirmó oficialmente que el bosón de Higgs algún día destruirá el universo, así que anótenlo en sus calendarios.
Con toda esta introducción, uno podría pensar que el bosón de Higgs es realmente extraordinario, y la verdad es que sí lo es. Sin embargo, requiere algo de tiempo para comprenderlo, así que vamos a intentarlo.
Un bosón es una partícula fundamental. Los bosones son responsables de todas las fuerzas fundamentales del universo, como el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte.
El campo de Higgs es un campo de energía que confiere masa a otras partículas, como los electrones. En pocas palabras, los bosones de Higgs son parcialmente responsables de la masa de las partículas en el universo. El bosón en sí tiene una gran masa, pero su vida útil es corta, lo que dificulta su detección en la naturaleza. Sin embargo, su existencia confirma gran parte de lo que sabemos sobre el Modelo Estándar de la física y ayuda a explicar la existencia misma de las partículas. También podría ayudar a explicar la materia oscura e identificar aún más partículas que desconocemos o no comprendemos.
Lo curioso es que Lederman no la llamó técnicamente la partícula de Dios. La llamó la partícula maldita porque le frustraba lo difícil que era detectarla. Su editor le cambió el nombre.
9. Tetraquark
Los quarks se entienden mejor como las partículas más pequeñas de la materia. Un trozo de hierro está formado por átomos de hierro. Estos átomos están formados por cosas como electrones y protones. Pero incluso si los separáramos, aún quedarían quarks. Tienen masa y espín, y existen seis tipos, llamados curiosamente "sabores". Estos sabores se agrupan en pares llamados arriba y abajo, arriba y abajo, y encanto y extraño. ¿Extraño, verdad? Bueno, la cosa se pone aún más extraña.
En 2021, los científicos descubrieron el tetraquark, un hadrón exótico compuesto por dos quarks y dos antiquarks. Antes de su descubrimiento, esto se consideraba imposible. La idea de que las partículas pudieran unirse entre sí era impensable, pero los datos obtenidos en el Gran Colisionador de Hadrones demostraron lo contrario.
El descubrimiento del tetraquark proporcionará a los investigadores varias herramientas nuevas para comprender mejor la fuerza fuerte que une a los quarks para formar neutrones y protones.
8. Neutrino
Si has visto alguna película de ciencia ficción en las últimas décadas, seguro que has oído mencionar la palabra "neutrino" más de una vez. Es un término popular, e incluso si la ciencia nos resulta desconocida a la mayoría, sigue sonando interesante.
En la vida real, los neutrinos tienen una existencia mucho más intensa de lo que la mayoría de nosotros podemos imaginar. Son partículas subatómicas nacidas de cataclismos galácticos, como la explosión de estrellas. Viajan casi a la velocidad de la luz, y buena suerte intentando detener uno, ya que pueden atravesar materiales como el plomo con la misma facilidad con la que uno atraviesa una puerta abierta.
Los neutrinos tienen masas asombrosamente pequeñas. Los números que se usan para describirlos no significan nada a menos que se tengan sólidos conocimientos de física. Sin embargo, son aproximadamente 500.000 veces más pequeños que un electrón. Pero a diferencia de un electrón, tampoco tienen carga eléctrica. Por lo tanto, sin masa ni carga, los neutrinos son prácticamente inexistentes. Pero también están por todas partes. El Sol nos bombardea con aproximadamente mil millones de ellos cada segundo.
El hecho de que los neutrinos tengan algo de masa, aunque sea microscópica, podría explicar toda la masa del universo y por qué hay materia a nuestro alrededor en lugar de antimateria.
7. Muones
Al igual que los quarks, los muones son partículas fundamentales. Son similares a los electrones, pero más grandes y pesan 207 veces más. Su vida útil es extremadamente corta, desintegrándose en electrones y neutrinos en tan solo 2,2 microsegundos desde su formación. Se forman cuando los rayos cósmicos colisionan con partículas de nuestra atmósfera y, en esos 2,2 microsegundos, logran bombardear la Tierra y penetrar aproximadamente un kilómetro y medio bajo la superficie, gracias a su velocidad cercana a la de la luz.
Las investigaciones realizadas en el Gran Colisionador de Hadrones han demostrado que los muones no siempre se comportan como la ciencia predice. En pocas palabras, oscilan. Pero no deberían. Y el hecho de que oscilen sugiere que podría haber otra partícula en juego, una que nadie sospechaba, que influye en su funcionamiento.
6. Quarks
Ya hemos mencionado el tetraquark, así que conviene descomponerlo en quarks simples. Si descomponemos partículas como protones y neutrones, obtenemos quarks y gluones. Existen seis tipos de quarks, y siempre se presentan en pares. De hecho, los científicos ya han intentado separar un quark de su otra mitad, pero no lo han conseguido. O están unidos o simplemente no existen.
La interacción entre quarks y gluones es la fuente de la masa atómica. Esto significa, esencialmente, que toda la masa de la materia, tal como la entendemos, proviene de quarks y gluones. A diferencia de la mayoría de las partículas, que se describen con carga positiva, negativa o neutra, los quarks van más allá. También se les atribuye una carga de color, relacionada con la cromodinámica cuántica. Esta teoría utiliza los colores teóricos rojo, azul o verde (aunque en realidad no son estos colores) para describir sus propiedades cuánticas únicas.
5. Gravitones
La ciencia reconoce cuatro fuerzas fundamentales que operan en el universo: las fuerzas nucleares débil y fuerte, el electromagnetismo y la gravedad. En la mayoría de los casos, comprendemos bastante bien las tres primeras. Sin embargo, la gravedad es un factor impredecible.
Entendemos cómo interactúan los fotones con el electromagnetismo, cómo interactúan los quarks y los gluones con la fuerza nuclear fuerte, y cómo interactúan los bosones con la fuerza nuclear débil. Lo que desconocemos es qué media la gravedad. Ahí es donde entran en juego los gravitones, partículas teóricas que permiten que la gravedad sea una fuerza que actúa sobre las cosas en el mundo real. El problema con los gravitones es que, en realidad, no sabemos si existen. Siguen siendo teóricos. La ciencia no puede explicar la gravedad.
Sorprendentemente, aunque no sabemos con certeza si los gravitones existen, sí sabemos mucho sobre ellos. Sabemos que su masa es cero o casi cero, y que viajan a la velocidad de la luz. Entonces, ¿por qué no podemos detectarlos?
La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas, lo que dificulta su detección. Se ha calculado que un detector gravitacional con la masa de Júpiter, colocado cerca de un objeto supermasivo como una estrella de neutrones, aún tendría dificultades para detectar algo.
4. Taquiones
Gracias Star Trek para popularizar los taquiones, al menos en ciertos círculos. Estas partículas teóricas probablemente seguirían siendo desconocidas si la ciencia ficción no las hubiera adoptado debido a su naturaleza completamente extraña. Cabe recordar que, técnicamente, no existen, pero algunos físicos creen que sí.
La mayor característica distintiva de los taquiones es su velocidad. Viajan más rápido que la luz. Esto, por sí solo, ha llevado a muchos a creer que los taquiones no pueden existir, ya que nada viaja más rápido que la luz. Pero la física teórica está dispuesta a aceptar cualquier cosa si hay evidencia, así que ¿por qué no?
Si un taquión viaja más rápido que la luz, entonces, según lo que sabemos sobre el tiempo, podría viajar hacia atrás en el tiempo. Generalmente asumimos que nada puede viajar más rápido que la luz, porque su masa aumentaría, al igual que la energía necesaria para moverlo. A la velocidad de la luz, estarías prácticamente atrapado. Pero los taquiones aceleran a medida que pierden energía, lo que significa que pueden superar esta barrera. Esto también crea todas esas paradojas temporales que conocemos por las películas. Y esa es una buena razón por la que tal vez no existan en absoluto.
Por supuesto, si existen pero se mueven más rápido que la velocidad de la luz, no es de extrañar que aún no los hayamos detectado y, de hecho, puede que nunca los detectemos precisamente por esta razón.
3. Materia oscura
Probablemente ya hayas oído hablar de la "materia oscura", pero si no sabes qué significa, no te preocupes, eres nuevo en esto. La ciencia tiene dificultades para comprenderla, pero responde a muchas preguntas sobre el funcionamiento del universo, así que por ahora sirve como explicación provisional para diversos fenómenos cósmicos.
Según nuestras observaciones, el movimiento de las galaxias resulta inexplicable. Se mueven como si fueran mucho más masivas de lo que aparentan. Debe existir una fuente secreta de masa que mantenga unida a cualquier galaxia, y esa fuente es la materia oscura.
La materia oscura no refleja, absorbe ni emite electromagnetismo, de ahí su nombre. Es esencialmente invisible, por lo que es puramente teórica. Pero lo que sí emite es gravedad, y eso es lo que mantiene unido al universo. Y hay muchísima. De hecho, alrededor de 801 TP3T de la masa total del universo.
2. Partículas
«Sparticle» es una palabra genial que evoca a Espartaco y las partículas, pero solo la mitad es cierta. La «s» en realidad significa «supersimétrica». Por ejemplo, las partículas son partículas supersimétricas, y su existencia podría desvelar los misterios de la física, como un coco.
Por muy útil que sea el Modelo Estándar de la física de partículas, como hemos visto, tiene muchas lagunas. ¿Qué es la materia oscura? ¿Cómo funciona la gravedad? ¿Qué hace oscilar a los muones? Hay preguntas sobre el origen de la masa, etc. Son suficientes las preguntas como para poner en duda la validez del Modelo Estándar o la necesidad de un modelo completamente nuevo. A menos, claro está, que se pueda encontrar una solución ingeniosa.
Muchos de los problemas que enfrentamos en la física de partículas pueden explicarse mediante la teoría de la supersimetría. Según esta teoría, cada partícula debería tener una partícula compañera supersimétrica. En teoría, estas partículas compañeras podrían llenar todo tipo de lagunas en nuestra comprensión del universo. Incluso construyeron el Gran Colisionador de Hadrones precisamente para encontrarlas. Y no funcionó. Esto no significa necesariamente que la teoría sea errónea; simplemente significa que la física es compleja y que comprender los fundamentos de la realidad lleva tiempo.
1. Fotones
Ah, el humilde fotón. Todos conocemos los fotones. Los fotones componen la luz tal como la entendemos: diminutas partículas de energía electromagnética que permiten que la luz funcione tanto como partícula como onda. Por supuesto, los fotones son mucho más que la luz de la pantalla de tu teléfono que llega a tus ojos para que puedas verla. También son la fuente de la conexión Wi-Fi que te da acceso a internet, sin mencionar las ondas de radio, las microondas, los rayos X, los rayos gamma y mucho más.
Todo lo que vemos ocurre gracias a la existencia de fotones que nos permiten observarlo. Esto significa que cuando contemplamos el Universo y vemos una estrella que explotó hace mil millones de años, esos fotones han viajado todo ese tiempo para llegar hasta allí, convirtiéndose así en los principales responsables del funcionamiento del mundo de las partículas.