El Cedazo

En la anterior entrada de la serie Biografía del Universo salimos de la inflación exponencial con todo un futuro por delante. Llegamos a entender cómo a partir de ella pudo eclosionar un mundo del tamaño de una naranja que existía en sí mismo, acotado por nada. Un mundo en donde violentos vórtices de energía chocaban unos con otros, mientras aparecían y desaparecían los nuevos habitantes del espacio-tiempo, partículas y más partículas, a lomos de nuevos y misteriosos campos cuánticos, desplazándose a velocidades relativistas. Tras una brevísima fracción de tiempo la temperatura del Universo había llegado a ser del orden de 10²⁶K, con una energía media que se había situado en la plataforma de 10²⁴ eV. Era el tiempo t = 10^-32 segundos, y había todo un universo por delante.

A medida que avance la serie nos vamos a encontrar en nuestro joven Universo con unos personajes que llevan una vida social muy activa y cambiante, ajustándose a las condiciones de temperatura y energía de cada momento. Las leyes que posiblemente actúen en esta física son bastante complejas, aunque creemos entenderlas razonablemente bien. Pensamos que estamos en el buen camino, ya que lo que vamos deduciendo a partir de ellas se ajusta bastante bien a lo observado.

Fotografía de una colisión entre dos haces de iones de oro que se produjo en el RHIC del Laboratorio Nacional de Brookhaven en USA (2005). Se trata de un plasma de quarks-gluones que pudiera ser, salvando las distancias energéticas, del tipo que había en el Universo cuando tenía una edad de 10^-12 segundos (Imagen: Brookhaven National Laboratory, CC BY-NC-ND 2.0)

No obstante, mirar directamente a los inicios de esta sopa de materia y radiación queda aún muy lejos de nuestras posibilidades y quizás exija una nueva física que englobe la actual del modelo estándar de partículas.. La continua expansión que siguió a la inflación llevó al Universo desde un nivel promedio de energía de partida de 10²⁴ eV en el recalentamiento, llegando a 1 eV cuando se formaron los primeros átomos, para continuar al escaso milielectronvoltio de hoy. Nuestro más potente “telescopio regresivo” es el LHC que se zambulle hasta unas profundidades del entorno de los 10¹³ eV, un mundo 10⁴ veces más pequeño que el protón. Con él podemos reproducir las condiciones del Universo cuando tenía 10^-12 segundos de vida. Pero no nos podemos remontar más atrás, hasta las condiciones del momento t=10^-32 segundos, cuando el recalentamiento estaba marcando el paisaje. Y aunque parezca poco, en estos 10^-12 segundos iniciales -invisibles para nosotros- pasaron, o creemos que pasaron, muchas cosas realmente decisivas.

Para saber de esta época inicial nos apoyamos en nuestras teorías, en las que confiamos, aunque queden bastantes agujeros que aún no sabemos rellenar. Nuestro escudo se llama Modelo Estándar de la física de partículas.^[1] El Modelo Estándar es un cuerpo de doctrina física construido a partir de varios participantes: la teoría especial de la Relatividad y la teoría sobre Mecánica Cuántica.^[2] Por desgracia, la gravedad aún no se habla muy bien con la última de ellas y por eso en el edificio no encaja la teoría general de la Relatividad. Es cierto que la gravedad cuántica tiene puestas sus esperanzas en un buen número de teorías o simplemente ideas desarrolladas, como lo son lo que los físicos teóricos llaman Supersimetría o en la tan mencionada teoría de cuerdas o de la gravedad cuántica de lazos. Pero ya se verá. Hoy nos sentimos bastante cómodos con el Modelo Estándar y con él tenemos mucho sobre lo que pensar.

Pero a este modelo hay que darle de comer. Como datos de entrada, las características de las partículas de la naturaleza, aquellas que en cada momento se conocen y se han podido medir: sus masas, cargas, spin,… En los cálculos también se tienen en cuenta una serie de simetrías que se observan en el Universo y que obligan, en base a ellas, a que ciertos parámetros no varíen –energía, momento, carga…- pase lo que pase. El mantenimiento de alguna de ellas conlleva la existencia de una serie de interacciones entre campos cuánticos que dirigen la forma de relacionarse las partículas entre ellas: la fuerza nuclear fuerte –desarrollada por la cromodinámica cuántica-, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil –desarrolladas esas dos últimas en su conjunto por la teoría electrodébil-. Observad cómo no entra en el juego la cuarta fuerza de interacción, que es la gravedad.

El resultado del Modelo Estándar confirma la existencia de sistemas partícula/onda que conocemos más comúnmente como materia o radiación. Nos dice también que estos personajes son capaces de interactuar a través de la mensajería realizada por los tres campos cuánticos de fuerzas y del comportamiento que se induce cuando se entrelazan los campos específicos de cada tipo de partícula con los de las fuerzas. Podemos imaginar el proceso al saber cómo aparecen las partículas/ondas. Cualquier excitación energética en un punto de un campo se traduce en una oscilación de este, una onda, que cuando lo hace en su frecuencia fundamental conforma la partícula adherida a este campo. Así, por ejemplo, la excitación del campo electrón engendra un electrón, así como la del campo electromagnético genera un fotón. Y cuando decimos que una interacción de un electrón se emite un fotón, lo que en realidad sucede es que el campo de electrones interactúa con el campo electromagnético, transfiriéndole energía y cantidad de movimiento, lo que crea una unidad de excitación en el campo electromagnético, su partícula. Las “cosas” que interactúan con un campo pueden interactuar entre sí a través del campo. Por ejemplo, los electrones pueden repelerse intercambiando excitaciones a través del campo electromagnético. De manera similar, las masas se atraen entre sí a través del campo gravitatorio. Todo es consecuencia de que las excitaciones de los distintos campos se han entrelazado en mayor o menor medida de acuerdo con la fuerza de acoplamiento entre ellos.

Éste es el proceso general que determina la física -y que se observa aplicada en la química- de nuestro Universo. A partir del mismo momento inicial de nuestra historia. Aunque parece que todas estas explicaciones teóricas nos desvían del camino propuesto, no queda más remedio que hablar de ello para una mejor comprensión de lo que vamos a descubrir. Es su base.

Bajemos a hablar más en concreto acerca de las partículas haciendo un relato de la nómina de los personajes más elementales que van a estar presentes. Inevitablemente, desde un punto de vista teórico, el número de partículas puede ser infinito, cosa que explico de la mano del premio Nobel de física Roger Penrose.

En su libro “El camino a la realidad: Una guía completa a las leyes del universo” hace la siguiente consideración: “… la partícula y la antipartícula pueden juntarse y aniquilarse mutuamente, convirtiéndose su masa combinada en energía de acuerdo con la expresión E=mc² de Einstein; recíprocamente, si se introduce energía suficiente [y a nivel cuántico según el principio de incertidumbre hay posibilidad de energía a espuertas] en un sistema localizado en una región apropiadamente pequeña, entonces hay una fuerte posibilidad de que esta energía pudiera servir para crear una partícula junto con su antipartícula. Así pues, con ese potencial para la producción de antipartículas existe siempre la posibilidad de que más partículas entren en la imagen… Por consiguiente, cuando uno trata de llegar a una teoría de partículas relativistas se ve impulsado a ofrecer una teoría en la que existe un potencial para la creación de un número ilimitado de partículas.” Pero que no cunda el pánico pues, como veréis ahora mismo, nos apañamos muy bien con unas pocas.

Hasta ahora sólo hemos hablado de un hipotético campo de unificación -el de la interacción GUT-^[3] con sus bosones X e Y, o de un no menos hipotético campo inflatón^[4] y su probable partícula, el inflatón. Pero como hemos comentado, hay muchos más de esos personajes y cada uno de ellos tiene una partícula/onda asociada, su excitación fundamental. Así que hablemos de la panoplia de partículas.^[5] El modelo estándar maneja dos tipos: los fermiones y los bosones. Los primeros son los que van a formar la materia que observamos -los quarks y sus subproductos, como el protón o el neutrón (hadrones), y los leptones, como el electrón o los neutrinos-. En cuanto a los segundos, los bosones -el fotón, el gluón…-, son los que van a mediar las interrelaciones con las fuerzas fundamentales.

Es curioso cómo las partículas de materia conocidas, los fermiones, se agrupan formando familias: tres de quarks y otras tres de leptones, con unas masas situadas a tres niveles progresivos de energía, sin que se descarte el que podamos encontrar más partículas a energías superiores. Y en cada una de las familias hay partículas de dos “sabores”. Por otro lado están los cuatro tipos de bosones que intermedian en cada una de las fuerzas fundamentales, a los que se les ha unido el higgs, de reciente puesta de largo en sociedad.^[6]

Nómina de partículas elementales del Modelo Estándar. Hay que observar cómo el bosón de Higgs no interactúa con los fotones y los gluones, partículas sin masa. Su interacción con los neutrinos no es muy bien conocida. (Imagen: Fermilab, fair use)

Cada partícula tiene su correspondiente antipartícula, su reverso. Pero su reverso solo en aquellas características que puedan tomar valores opuestos, como la carga eléctrica o la dirección de movimiento (sentido de su vector momento lineal), y no en aquello que pueda aceptar una variedad de valores discretos, como puede ser la masa o el espín (momento angular intrínseco). Ello es debido a que cuando aparecen pares partícula/antipartícula a partir de la energía, se supone que se deben conservar ciertos números cuánticos “aditivos” (como el número bariónico o el de carga), de aquí que se exijan valores opuestos. En teoría si a una partícula de materia

a. le cambiamos su carga, simetría C;

b. le cambiamos sus coordenadas por las opuestas, simetría P; y

c. le hacemos ir en el sentido contrario del tiempo, simetría T;

y después de ello lo que sale es otra partícula que se comporta igual que la partícula primera de materia, habremos conseguido su antipartícula. ((O como diría mi admirado Pedro Gómez-Esteban en su blog el Tamiz: “…si coges un antiprotón y lo filmas en una película, le cambias la carga, pones el Universo al revés y luego la película hacia atrás, es indistinguible de un protón”.))

Los pares de partículas y antipartículas pueden generarse a través de diversos procesos, siendo posiblemente estos dos que cito a continuación los más frecuentes:^[7] pueden aparecer de forma espontánea a partir del vacío cuántico; o bien producirse a pares como resultado del choque de fotones con una energía conjunta por encima de la equivalente a la masa de las nuevas partículas. En ese proceso la energía de los dos fotones se transforma en materia, partícula y antipartícula, según la ley einsteniana de E = mc². La reacción contraria también es posible y es lo que sucede si partícula y antipartícula no se alejan lo suficiente tras su aparición -y todo depende de la velocidad de expansión del Universo-: se aniquilan una a la otra dejando un rastro de radiación.

Fotón + fotón  ↔  partícula + antipartícula

Estas reacciones como la que se escribe arriba, a millones, parece que tendrían que producirse manteniendo un equilibrio, debiendo contabilizarse las mismas tanto en un sentido como en el opuesto. Si uno de ellos fuera claramente el dominante, sólo veríamos partículas que habrían ganado a la radiación, o radiación que habría aniquilado a las partículas. Y sin embargo, la energía que observamos en nuestro universo es una mezcla de todo: mucha radiación, bastante menos materia y una pizca infinitesimal de antimateria. Y esto último sí que es raro, ya que o debería haber la misma materia que antimateria, o no debería haber nada ni de una ni de otra.

Podríamos postular que esta diferencia viene “de fábrica” y que fuera una característica natural del universo desde su nacimiento. Lo que observamos hoy en día parece decirnos que hay una partícula de antimateria por cada diez mil millones de partículas de materia, es decir, que su relación de densidades es de 10^-10.^[8] Dado que cualquier asimetría bariónica primordial habría sido diluida exponencialmente durante la inflación, el dato observado hoy exige la existencia de una diferencia materia/antimateria durante la época GUT^[9] del orden de 10⁶⁹. Este número parece impensable como dato que venga según lo que hemos denominado “de fábrica”, por lo que se considera más probable que inicialmente la diferencia entre materia y antimateria fuera nula para con posterioridad, y a través de algún proceso físico hoy por hoy desconocido, se generara el parámetro de asimetría tan grande que se observa ahora. Por eso los físicos se las están ingeniando, sin ningún resultado concreto convincente todavía, aunque de forma esperanzadora, buscando procesos que hubieran podido producir la diferencia materia-antimateria que hoy se observa.

“Y hasta aquí puedo leer“, tal como era una famosa muletilla de un famoso concurso televisivo en el que participaba una calabaza.^[10]. La entrada se va alargando al igual que el Universo, y éste es un buen punto para proponer un descanso. Seguiremos en la siguiente hablando del físico ruso Andréi Sájarov, padre de la teoría que resulta ser la biblia para todos los que estudian el misterio poblacional de la materia y la antimateria. Seguimos en contacto.

1. Para saber más del modelo estándar sin entrar en demasiadas complicaciones ver esta serie del blog Cuentos Cuánticos [↩]
2. Recomiendo para moverse con una cierta soltura en estos dos campos de la fisica leer las respectivas series del blog El Tamiz, de Pedro Gómez-Esteban, que tituló como “Relatividad sin fórmulas” y “Cuántica sin fórmulas“ [↩]
3. Que debía fijar las interacciones entre partículas en la época de la gran unificación, antes de iniciarse la inflación exponencial preconizada por Alan Guth. [↩]
4. El que generó precisamente la energía que provocó la inflación. [↩]
5. Recomiendo de nuevo la serie de El Tamiz “Esas maravillosas partículas“. [↩]
6. El bosón de Higgs o partícula de Higgs es una partícula elemental propuesta también en el modelo estándar de física de partículas. Recibe su nombre en honor a Peter Higgs quien, junto con otros, propuso en 1964 el hoy llamado mecanismo de Higgs para explicar el origen de la masa de las partículas elementales. Hablaremos de él en su momento [↩]
7. He subrayado la palabra pares con toda la intención ya que hay multiples procesos en el Universo actual o en nuestros laboratorios en los que se generan partículas de antimateria individuales. Un ejemplo clásico lo observamos en la cascada de reacciones que se provoca al penetrar un rayo cósmico en la atmósfera terrestre. [↩]
8. Realmente según esta publicación de Davidson, Nardi y Mir, parece que está en el siguiente rango de 6.05 < η × 10¹⁰ < 6.37, siendo η conocido como el parámetro de asimetría, que correlaciona la diferencia de densidad global de número de bariones y anti-bariones con la densidad de número de fotones de radiación de fondo cósmico. [↩]
9. Anterior a la inflación. [↩]
10. Evidentemente si sois españoles de una cierta edad lo habréis adivinado: se trata del ínclito “Un, dos, tres” en el que se freía a la pareja de participantes a recordar cosas triviales ¡Y con grandes premios! [↩]

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