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Biografía del Universo 07: De materia y antimateria. Un poco de teoría I




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. 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. 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 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,… También se tiene en cuenta otro cuerpo de teorías que describen de qué forma interaccionan las partículas entre ellas: la fuerza nuclear fuerte –desarrollada por la cromodinámica cuántica-, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil –desarrolladas en su conjunto por la teoría electrodébil-. Observad cómo no entra en el juego la cuarta fuerza de interacción, que es la gravedad. 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…- pasara lo que pasara.

El resultado del Modelo Estándar confirma la existencia de partículas/ondas 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. 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 del mismo, 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. Estas vibraciones de distintos campos se entrelazan de acuerdo a la fuerza de enlace entre ellos. Y por eso el fotón interrelaciona con el electrón. Éste es el proceso general que determina la física -y que se observa 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. Nos queda aún por ver la nómina de los personajes más elementales que van a estar presentes.

Con relación a los campos, hasta ahora sólo hemos hablado en otras entradas 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, cada campo tiene una partícula/onda asociada, así que hablemos de las partículas.[5] El modelo estándar maneja dos tipos de partículas: los hadrones 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, y los leptones, como el electrón o los neutrinos- y en cuanto a los segundos, son los que van a mediar las fuerzas fundamentales -el fotón, el gluón…-. Sin olvidarnos a sus partenaires de la antimateria, las mismas partículas pero con cargas opuestas. Es curioso cómo las partículas de materia conocidas, los hadrones, 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)

Las partículas y antipartículas pueden generarse a través de diversos procesos, siendo posiblemente estos dos que cito a continuación los más frecuentes: pueden aparecer espontáneamente del vacío cuántico, o bien producirse a pares como resultado del choque de fotones, preferentemente dos, con una energía conjunta por encima de la equivalente a la masa de la partícula. A través de él 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. Estas reacciones, a millones, como la que se escribe más abajo, parece que tendrían que producirse en equilibrio, debiendo contabilizarse las mismas 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.

Fotón + fotón  ↔  partícula + antipartícula

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.[7] Dado que cualquier asimetría bariónica primordial habría sido diluída exponencialmente durante la inflación, el dato observado hoy exige la existencia de una diferencia durante la época GUT[8] del orden de 1069. Este número parece impensable como dato que venga según lo que hemos denominado ser “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 pequeño 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.[9]. 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. Realmente según esta publicación de Davidson, Nardi y Mir, parece que está en el siguiente rango de 0.16 < η × 1010 < 6.2, siendo η un parámetro que cuantifica la relación de densidades de bariones y antibariones, y que es conocido como el parámetro de asimetría []
  8. Anterior a la inflación. []
  9. 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! []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 9 } Comentarios

  1. Gravatar anibal | 29/05/2017 at 04:04 | Permalink

    sabes que me asalta una duda . antes que apareciera el campo Higgs había solo partículas a velocidades relativistas . pregunta : ellas venían a pares del vacío cuántico durante el big bang ? me refiero partícula-antipartícula? y si es así las partículas con velocidades no relativistas originadas del campo Higgs surgieron de este campo bajo este mismo principio ? quiere decir que los electrones y positrones por ejemplo se formaron dentro del universo , bajo las leyes de este universo ? y en ese caso ya surgidas (las masivas) comenzaron una igual carrera de aniquilación que las partículas no masivas? . te agradecería me saques de esta duda ya que estoy muy entretenido leyendo tu entrada . un abrazo

  2. Gravatar jreguart | 29/05/2017 at 11:27 | Permalink

    Hola Anibal,

    todas las partículas que existirían en aquellos momentos dada la alta energía y temperatura del Universo se movían a velocidades muy próximas a la de la luz. Luego tras la inflación todas las partículas se movían a velocidades relativistas.

    ¿Cuales podrían existir? La verdad es que la física de partículas en aquellos momentos solo es una teoría. Imposible de testar. Se supone que habría otros procesos físicos, diferentes al Higgs, que podrían conferir masa a algunas de ellas. En todo caso las que tuvieran masa se supone que serían supermasivas. Todo ello no quita para que existieran partículas de otros campos, como el quark, o el electrónico, o el de los bosones del electrodébil… que no tenían masa en reposo pues Higgs aún no podía actuar a aquellos niveles energéticos. Pero que evidentemente se moverían a la velocidad de la luz correspondiente al plasma que conformaba el Universo.

    Todas ellas podían aparecer espontáneamente del vacío cuántico por pares materia/antimateria o bien como partículas producto secundario de las interacciones de partículas existentes.

    Dicho esto vamos a lo que preguntas de los electrones y positrones. Hay que suponer que los campos correspondientes ahí estarían y que teóricamente es posible que por excitación de los mismos existieran estas partículas aunque sin masa en reposo. Y todo ello sin que Higgs hiciera aun nada. Positrones y electrones sin masa estarían en el Universo primitivo ¿podemos llamarles electrones o positrones? ¿partículas exóticas? Y al igual que los campos de fuerzas pensamos que estaban unificados -los fotones y los bosones del campo débil eran indistinguibles- ¿estarían unificados otros campos de partículas bariónicas? ¿quarks y leptones eran indistinguibles? Lo que si es cierto es que los electrones y los positrones tal como los conocemos tuvieron que esperar un poco más para existir, hasta que Higgs pudo actuar. Con unas energías de unos cien GeV.

    Otra aclaración. No hay correlación entre velocidades no relativistas y el campo Higgs. Los electrones pueden moverse a velocidades relativistas o no. Depende del potencial que tengan en cada momento. En un cable eléctrico se mueven a baja velocidad, en los aceleradores de partículas se mueven a velocidades relativistas. Pero sí es cierto que el fenómeno de aniquilación partícula-antipartícula es un hecho físico que sucede desde siempre. Así que podemos pensar que estas partículas “exóticas” que corresponderían a electrones y positrones sin masa de los momentos iniciales se aniquilarían por pares al igual que lo hacen sus herederos que conviven ahora con nosotros.

    Espero que te haya aclarado un poco el tema. Como siempre acabo comentando que no soy un experto. Soy un notario que levanta acta de lo que ve y cree entender. Y abierto a cualquier aclaración de gente más experta. Siempre se agradece el que te abran los ojos.

  3. Gravatar anibal | 29/05/2017 at 06:11 | Permalink

    Jreguar. yo no sé si hay por ahí un premio esperando para tí y tu labor divulgativa , pero bien merecido lo tienes . con respecto a lo que nos convoca en particular , me quedé pensando en un electrón viajando en el LHC y alcanzando C, me imagino que él ya en esta nueva dimensión no tiene masa ( m=E/c2 ) , pero sigue siendo un electrón por lo que explicas , me imagino que valores como el spin u otros no los pierde para no perder su identidad . porque al desacelerar (me acordé del proceso “bremsstrahlung”) y estar a ciertos niveles de energía más bajos emitirá fotones para deshacerse del exceso de energía y volver al estado inicial antes de la aceleración . ahora en el proceso inverso en los orígenes . el electrón existía como tu dices , pero sin masa ; al bajar la temperatura aparece el campo Higgs y se la concede . entonces se me ocurre una barbaridad . cuando el electrón en el acelerador alcanza C se desacopla (todo esto de mis delirios) del campo Higgs y después al desacelerarse se vuelve a acoplar nuevamente . porque me imagino que a medida que acelera se le va dotando de energía en cantidad similar al proceso que le concedió la masa , siendo este caso una recreación a la inversa de aquel …. estoy disponible a todas las correcciones y tirones de oreja posibles , porque es la única forma que tengo de aprender sobre este misterioso y maravilloso tema . gracias por todo , y tienes un lector permanente de todas tus entradas .

  4. Gravatar jreguart | 30/05/2017 at 11:03 | Permalink

    Hola Anibal,

    siempre es bueno darle vueltas a las cosas ya que al final siempre se mejora el conocimiento. A mi me pasa muchas veces y desde luego muchas veces gracias a los comentarios con gente como vosotros.

    Lo que me comentas no es tal como te lo imaginas. Primero, en los aceleradores de partículas los niveles de energía que podemos manejar están muy alejados de los del Universo primitivo. Luego no podemos imaginar aquellos momentos repetidos en los aceleradores de partícula. En estos cacharros de nuestra tecnología Higgs funciona y los electrones tienen su masa en reposo fijada por su propia esencia, las características particulares de su campo cuántico cuya excitación fundamental es del orden de 0,5 MeV, y que se concreta en su partícula fundamental, en este caso el electrón, con una masa en reposo que cumple la ecuación de Einstein m=E/cexp2. Esta es la masa del electrón en nuestro entorno y no va a cambiar. Otra cosa es que por causas externas le aceleres hasta velocidades que puedan ser incluso próximas a la de la luz. Eso hace que el electrón incremente su energía en una cantidad m.v.c que se compone según una relación pitagórica con su energía en reposo: Eexp2=(mvc)exp2+(mcexp2)exp2 . Pero no incrementa su masa en reposo. De todas formas tienes que pensar que nunca podremos acelerar una partícula hasta alcanzar la velocidad de la luz ya que según la relatividad especial deberíamos proporcionarle una energía infinita. Puedes repasar estos conceptos en una entrada que nos regaló Pedro en la serie “Relatividad sin fórmula”s de El Tamiz (http://eltamiz.com/2007/05/28/relatividad-sin-formulas-aumento-de-masa/).

    En resumen, en nuestro mundo o en el mundo que podemos recrear en los aceleradores de partículas, los campos cuánticos se encuentran con niveles energéticos muy bajos en relación a los que había en el Universo primigenio, Higgs se comporta como debe (no puede hacerlo de otra manera), los electrones tienen masa (y cualquier otra de sus características como carga o spin), masa equivalente a 0,5 MeV, y tal vez una cantidad de movimiento que puede ser importante si va a mucha velocidad. En los aceleradores de partículas se aprovechan estas velocidades aunque las lleven pequeñas masas (la de las partículas) para generar en los choques energías altas y recrear un estado del universo correspondiente a la época del nivel de energía conseguido. En el LHC trabajando con protones se consiguen hasta unos 10 TeV.

    Y muchas gracias por tus palabras de elogio. No sé si merecidas o dignas de premio como tu exageras. Me conformo con lo bien que me lo paso en el empeño.

  5. Gravatar gael | 30/05/2017 at 06:13 | Permalink

    pero no necesitas llevar un electrón a esas velocidades y con tanto despliegue de energías en el cern para quitarle la masa (como bien dice Jaime . nunca lo lograrás) , solo hazle una cita con un positrón y verás como desaparece la masa de ámbos instantáneamente , para dar como resultado dos fotones sin masa y si esto ocurre en el vacío viajarán a C .

  6. Gravatar lawal | 01/06/2017 at 05:37 | Permalink

    me quedé pensando acerca de la definición que haces de un campo . y cuando pienso en el campo gravitatorio , con sus mínimos y máximos de energía potencial y su hipotética partícula asociada . me da la impresión que el espacio es un campo que aloja a los demás en su seno , por decirlo de alguna forma.

  7. Gravatar jreguart | 02/06/2017 at 10:40 | Permalink

    Hola Lawal,

    interpreto que lo que tu conceptualizas como espacio es realmente el Universo, el espacio-tiempo donde todo sucede. Efectivamente así lo veo yo también conteniendo a todos estos entes físicos reales que son todos los campos cuánticos.

    Un saludo y seguimos en contacto.

  8. Gravatar Galo | 04/06/2017 at 03:52 | Permalink

    Esto me hace recordar la saga terminator en que obligadamente vienen y van de a pares del futuro al pasado y viceversa y además coincidentemente lo hacen individuos opuestos en casi todo . Bueno ya se que esto no es un aporte , pero la ciencia ficción aveces nos da pistas sobre la realidad .

  9. Gravatar jreguart | 05/06/2017 at 10:19 | Permalink

    Hola Galo,

    a mi tu comentario me afianza la idea de que el cerebro es un complejo laberinto interrelacionado. No tiene nada que ver evidentemente con el Universo, pero es curioso como la mente actúa como una cesta de cerezas. Tiras de una y a saber lo que llega detrás. Incluso lo más peregrino.

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