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Biografía del Universo 12: Los hadrones




de 10-6 segundos a 1 segundo desde el inicio

Recordamos de la entrada anterior de esta serie que en el tiempo t=10-6 segundos después de su inicio el Universo estaba formado por un medio al que llamamos plasma quark-gluón, aunque realmente había allí más partículas compañeras de viaje. Este plasma comienza a ser familiar para los físicos, puesto que ya ha sido recreado en experimentos realizados en algún acelerador de partículas como el del CERN.[1] Lo curioso del caso es que estos experimentos nos dicen que, más que a un gas, el plasma quark-gluón se asemeja a un líquido apenas viscoso, a pesar de que la teoría nos dice que la densidad es tremenda, puesto que corresponde a 1017 veces la del agua. En este momento de la vida del Universo se ha alcanzado un nivel energético que se encuentra en el entorno de 1 GeV, lo que equivale a una temperatura de crucero de 1013K.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Cronómetro 0: tiempo igual a t-6 segundos. Va a comenzar la transición de quarks a hadrones. La nómina de estos últimos, que son partículas que están formadas por dos o tres quarks, está compuesta por el  protón, el neutrón y algún que otro bosón raro, entre los que se encuentra el mesón pión, bosones que tienen su importancia en la fortaleza de los núcleos atómicos. Los quarks son unas partículas elementales que, por lo que sabemos hoy en día, creemos que no están compuestas de otras más pequeñas.[2] Los conocemos de seis “sabores” -se suele usar esta terminología-, seis quarks distintos emparejados de dos en dos. La masa de tres de ellos supera la energía promedio del momento, lo cual quiere decir que su única oportunidad de aparecer en escena es como producto en alguna reacción “ad-hoc” entre partículas o en una fluctuación cuántica de su campo, para luego desaparecer en un plazo brevísimo como corresponde a partículas pesadas. Cosas de la incertidumbre cuántica, ya sabemos. Los otros tres, ademas de estos caminos para nacer, y al tener una masa inferior a la energía del momento de 1 GeV, aún se generaban en parejas quark-antiquark por el choque de los fotones que en aquella época se movían con ese nivel de energía.

ESTA NOTA ES PARA ENCUADRAR EL MARASMO DE PARTÍCULAS QUE HE SOLTADO EN EL PÁRRAFO ANTERIOR (y que acompaña al esquema de abajo): Existen dos grandes familias de partículas, los bosones mediadores de las interacciones -las fuerzas- entre campos y los fermiones, el resto, que formarán la materia. En los fermiones hay otras dos grandes familias, la de las partículas formadas por quarks -los hadrones- y el resto, los leptones. Los mesones son una cosa rara, ya que, a pesar de que caen en la línea de la materia -bajo los quarks-, realmente actúan como bosones intermediadores. Entre los mesones se encuentra el pión, personaje que sale en nuestra serie.[3]

(Imagen: simplificada a partir de la serie “Esas maravillosas partículas”, El Tamiz, CC)

En estos momentos la fuerza nuclear fuerte se sintió con aptitudes para comenzar a ser protagonista principal, lo que llevó a cabo con la ayuda de su excitación fundamental, el gluón,[4] que comenzó a “pegar” quarks, principalmente los ups y downs, ya que los otros cuatro, más masivos ellos, por los motivos que hemos comentado ya en otras entradas,[5] desaparecían en un tiempo menor del que necesita el gluón para hacerlos interactuar, es decir, se esfumaban en su incertidumbre cuántica antes de poder echarles el lazo. La actividad de la fuerza nuclear fuerte fue muy intensa, de forma que creemos que a los 10-3 segundos casi no quedaban ya quarks libres: estaban confinados en neutrones y protones. En la figura siguiente se puede ver cómo cada uno de ellos está formado por un trío particular de quarks y tres gluones que les hacen de pegamento. Hay que decir aquí que los protones y neutrones no presentan un aspecto tan plácido como podría deducirse de la figura. Tienen una masa del orden de 1 GeV y, a vista de pájaro, están formados por tres quarks de 4.10-3 GeV cada uno y por tres gluones sin masa. Evidentemente, no cuadran los números de la cantidad de masa en juego. El truco está en que en estos pequeños espacios del mundo cuántico, los dominios espaciales internos de un protón o de un neutrón, se generan y desaparecen también millones de partículas virtuales con velocidades relativistas, que aportan la energía necesaria para cuadrar el balance másico de protones y neutrones hasta el experimentable de 1 GeV.

Esquema de las “interioridades” del protón y el neutrón, formados aparentemente cada uno por tres quarks.

El nivel energético medio del momento, 1 GeV, era similar a la masa en reposo de estas partículas compuestas, por lo que la radiación existente apenas los desestabilizaría, pues no tenía suficiente energía como para “romper” sus estructuras. Eso sí, los quarks y antiquarks existentes habían creado hadrones y antihadrones, los cuales rápidamente degenerarían en reacciones de aniquilación de sus quarks y sus antiquarks que dejaron multitud de otras partículas elementales.[6] Al final, lógicamente, dominaría la materia de hadrones sobre la antimateria de hadrones.

A pesar de que ya debían ser muy pocos los quarks libres -prácticamente habían desaparecido a los 10-3 segundos gracias a este proceso de confinamiento en hadrones de materia- sí que continuaban existiendo en el plasma una gran multitud de electrones y neutrinos. Podemos contabilizar la población de ambos como uno por cada partícula de radiación. Los electrones, al interactuar con el campo electromagnético, convivían con la radiación en equilibrio térmico: al no haberse llegado aún a su temperatura de condensación -sus masas en reposo son muy pequeñas- hay que pensar que los procesos de creación a partir de la radiación existente, y los de destrucción entre sus pares partícula-antipartícula, se producirían sin trabas, manteniendo las poblaciones estables. Sin embargo, los neutrinos, que no interactúan con la radiación, ni se generarían por choque entre fotones ni estos se producirían cuando se aniquilaban neutrino y antineutrino, que por otra parte se cree que son la misma partícula. Las dos reacciones que siguen serían algunas de las que en aquellos momentos interrelacionarían a las tres partículas elementales, fotón, neutrino y electrón.

Fotón(es)  ↔  p+ + e- (positrón+ + electrón-)

En el sentido de izquierda a derecha esta reacción iría decayendo en número a medida que la energía se iba aproximando en su enfriamiento hacia los 0,5 MeV, equivalente energético a las masas de electrón y el positrón, nivel a partir del cual ya era muy difícil crear este tipo de partículas a partir de la radiación. En el sentido derecha a izquierda duraría hasta que materia y antimateria se hubieran anulado mutuamente.[7] Aunque esto último sucedió más o menos a los 10 segundos de vida del Universo.

En las aniquilaciones de electrones no sólo se creaban nuevos fotones, sino también neutrinos, gracias a la fuerza nuclear débil, según el siguiente equilibrio:

p+ + e-  ↔  neutrinoe + antineutrinoe

Esta última reacción, que habría contribuido desde la salida de la inflación exponencial a rellenar el Universo con los esquivos neutrinos, era muy efectiva por encima del MeV… ¡y en esta fase el valor de la energía promedio estaba situada por encima de este límite en un factor de diez a mil veces! Aunque tenemos que pensar que estaría perdiendo progresivamente mucha eficacia y de hecho desaparecerá más o menos en la frontera del segundo -1 MeV- tras el inicio del Universo.

Todo parecía indicar que se estaba a medio camino hacia el momento de la culminación de lo que se había pergeñado durante la época de la bariogénesis, con el triunfo final de la materia frente a la antimateria y el nuevo equilibrio de la balanza de partículas, que iba aproximándose al ratio de un barión superviviente por cada 109 fotones. Los electrones, como hemos dicho, aún seguían en equilibrio térmico con la radiación y habría que esperar un poco más para que estas partículas quedaran sólo en su forma de materia -como contrario a su antimateria-. Cuando se llegue a ese momento volveremos a contabilizar un electrón por cada protón por aquello de la neutralidad de carga en el Universo. Es decir, un protón y un electrón por cada 109 fotones -y neutrinos-. Pero eso será más tarde.

Ahora ya sabemos que en la fase en que nos encontramos el plasma quark-gluón inicial se había transformado sustancialmente. Las cuatro fuerzas fundamentales estaban ya presentes de forma independiente, actuando en un plasma que estaba formado principalmente por protones y neutrones, electrones y una intensa radiación de fotones y neutrinos. Una vez más adopto la licencia de llamar a los neutrinos radiación, acepción que se aplica normalmente a los fotones. Pero su poca masa, su velocidad relativista de desplazamiento por el Universo y su participación clave en las dispersiones de partículas en las que interviene la fuerza débil me inducen el imaginar un perfil muy semejante, aunque evidentemente no igual. Por completar la nómina de la vecindad no nos podemos olvidar de que por algún lado andarían también los neutralinos, o algo así: las fantasmagóricas almas de la materia oscura.

Dediquémoles un poco más de tiempo a los neutrinos, unas partículas muy esquivas. Hasta hace poco se creía que no tenían masa, aunque ahora sabemos que realmente ofrecen a la gravedad una muy ligera interacción, del orden del eV para los neutrinos menos pesados. No tienen carga, por lo que son transparentes para el campo electromagnético. Y también son ignorados por la fuerza nuclear fuerte. Podríamos decir que el campo relativista neutrino sólo está ligado a otros campos de partículas a través del campo de la interacción nuclear débil, con el que participa muy activamente provocando, o siendo el producto, de reacciones de aniquilación de otras partículas. Algunas de ellas son las reacciones de desintegración radiactiva, como las que se dan en el núcleo de las estrellas. En particular, ayudados por los bosones W y Z del campo nuclear débil, no dejaban tranquilos a nuestros bariones.

Ya podemos imaginar que los recién estrenados protones y neutrones estaban quedando a merced de la fuerza nuclear débil. Y los neutrinos, que aunque tenían muy poca masa, en este momento disponían de una energía elevada, estaban también allí, formando una población superabundante. Entre todo este tipo de partículas se producían múltiples interacciones al chocar, provocándose las conocidas como reacciones β inversa:

neutrinoe + neutrón ↔ protón+ + electrón-

protón+ + antineutrino ↔ neutrón + positrón+

Esquema de la reacción beta inversa. Un neutrino electrónico y un protón interaccionan decayendo en un  positrón y un neutrón (Imagen: Sergio Torres, fair use)

Por causa de estas reacciones los protones pasaban a neutrones, los cuales respondían a su vez pasando a protones en un equilibrio numérico casi perfecto. Mientras los neutrinos tuvieran energía suficiente como para provocarlas, su ritmo seguiría tranquilamente. Pero la vida no es tan tranquila. El sustrato que estaba soportando estos intercambios, el tejido espacio-temporal del Universo, se estaba expandiendo, lo cual afectaba a la longitud de onda de los neutrinos, alargándola y en consecuencia disminuyendo su energía. En el difuso momento en que se sobrepasaba el umbral de 1 segundo el nivel energético era tan bajo, 1 MeV, que la energía de movimiento de los neutrinos ya no fue suficiente para iniciar las reacciones nucleares débiles con neutrones y protones. Podemos pensar que las ondas de los neutrinos eran tan grandes que los bariones se escapaban entre las piernas del neutrino. Como resultado, los neutrinos quedaron libres para volar a su aire por todo el espacio-tiempo del Universo, abandonando el equilibrio termodinámico que habían mantenido con las otras partículas. Aquellos neutrinos primitivos aún están por ahí, aunque con una energía muy disminuida debido al enfriamiento general producido al expandirse el Cosmos. Los cálculos nos dicen que deberíamos ver en el Universo frío de hoy unos 112 neutrinos por centímetro cúbico. Pensamos que en este mar de fondo, lo que conocemos como fondo cósmico de neutrinos, la temperatura ha descendido hasta los 1,95K.[8]

Por desgracia, con el nivel de tecnología del que disponemos hoy en día no podemos llegar a detectar su pista de la misma manera como lo hemos podido hacer con la pista de los fotones que se liberaron de la masa bariónica bastante más tarde. Si consiguiéramos la foto del fondo de neutrinos tendríamos información directa del Universo a la edad de poco más de ¡un segundo!

Pero la historia sigue. Los protones y neutrones que quedaron libres de los neutrinos tras su emancipación cósmica siguieron estando en manos de la fuerza nuclear débil, ahora siguiendo otro tipo de reacciones de desintegración β que les podía afectar, las desintegraciones β- y β+:

desintegración  β-          neutrón     →      protón+ + W-       →     protón+ + (electrón- + antineutrinoe)

desintegración β+            protón+      →     neutrón + W+      →       neutrón + positrón+ + neutrinoe

Esquema de la reacción beta, característica de la interacción débil, mediada por uno de sus bosones W-: Un neutrón decae en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico (Imagen: Sergio Torres, fair use)

La primera de las anteriores reacciones β -ver figura anterior- hacía del neutrón una partícula inestable con una vida media de unos 15 minutos: es decir, cada 15 minutos una bolsa de neutrones reducía su población a la mitad… ¡a ese paso nos íbamos a quedar sin neutrones! Sin embargo, la segunda, por la que los protones libres podían pasar a neutrones, se producía cada vez con mayores dificultades por una circunstancia que, a la postre, en aquellos momentos iba a resultar decisiva para el tipo de “personalidad” que iba a adoptar el futuro Universo. El neutrón es ligeramente más pesado que el protón, por lo que en las dos reacciones de desintegración β anteriores era más fácil pasar de neutrón a protón que pasar de protón a neutrón. Lo primero implica ir energéticamente cuesta abajo -de la masa del neutrón a la menor masa del protón- mientras que lo segundo es una cuesta arriba energética.

La consecuencia es que esta segunda reacción no ocurre con los protones libres, ya que la suma de las energías de las partículas resultantes sería mayor que la del protón inicial. Y esto violaría el principio de conservación de la energía. Este tipo de reacción β+ sólo la observamos en protones ligados, integrados en núcleos atómicos, cosa que en aquel momento aún no existían. Así que poco a poco, mientras bajaba la temperatura, cada vez tenía más fuerza el siguiente NO

protón+  →   NO   →   neutrón + W+   →   neutrón + positrón+ + neutrinoe

circunstancia por la que el equilibrio protón-neutrón que hasta entonces se había dado se iba haciendo cada vez más difícil. El número de neutrones libres iba decreciendo incrementándose constantemente la relación protón/neutrón. Cuando el cronómetro marcaba 10-1 segundos desde el nacimiento del Universo, la relación era de 3 a 2 y en el umbral del segundo, con un 3 a 1, se intuía una futura goleada.

Una vez más la entrada se está alargando, así que recapitulemos dibujando el cuadro general final de la escena del intervalo temporal que estamos analizando. A un segundo tras el Big Bang teníamos unos neutrinos que volaban independientes por el tejido del Universo de aquel momento, unos protones en una posición de fortaleza a costa de unos neutrones en decremento. Y también unos electrones y positrones que, mientras no estaban trabajando para la fuerza nuclear débil, seguían con el mismo juego que hasta entonces: o se estaban aniquilando como parejas partícula-antipartícula o los fotones, que en este momento tenían aún suficiente energía, los iban creando al chocar entre pares. Esto último duró hasta que más tarde se alcanzó la energía de “condensación” de electrones y positrones, que es del orden de los 500 KeV. Hasta el segundo 14 tras el Big Bang los fotones mantendrían aún la suficiente energía como para que hubieran podido regenerar la población, momento tras el que ya sólo se producirían reacciones de aniquilación entre electrones y positrones, disminuyendo su concentración en el plasma. Dado que la carga eléctrica total en el Universo es cero, al final sólo quedaron el mismo número de electrones que de protones: ya habíamos dicho un poco más arriba que la relación era 109 fotones por cada protón.

Abandonamos nuestra ventana temporal celebrando el primer “cumplesegundos” del Universo. Una “esfera” repleta de radiación y neutrinos, algunos bariones y electrones, uno por cada mil millones de fotones, y algunas partículas más, inestables o misteriosas, que se distribuían localmente de acuerdo a las primitivas fluctuaciones cuánticas del periodo inflacionario. Toda esta energía-materia apelotonada formando un plasma de densidad 105 veces la del agua a lo largo de una fabulosa extensión del orden de los 1013 kilómetros de diámetro, en el entorno dimensional del año-luz y mucho más pequeño que nuestra galaxia, la Vía Láctea. Y todo con una temperatura de 1010K o, lo que es lo mismo, un MeV de energía promedio para todos sus habitantes. Mientras las ondas sonoras y gravitacionales rielaban aquel infierno.

Estamos a las puertas de un suceso trascendental. Uno más, claro. Lo presentaré en la próxima entrada. Hasta entonces.

 

  1. En este enlace podéis profundizar en el tema. []
  2. Claro que hasta hace unas décadas pensábamos que el protón y el neutrón eran a su vez elementales… []
  3. De nuevo… a qué estáis esperando para leer la serie de El Tamiz “Esas maravillosas partículas”. []
  4. Aquí tenéis su historia, en El Tamiz. []
  5. Simplemente lo obliga la realidad física descrita por el principio de incertidumbre: si se concreta mucha energía -masa- a partir del vacío necesariamente lo hará en un tiempo muy pequeño. []
  6. En estos dos enlaces, aquí y aquí, podéis ver algún ejemplo gráfico del tema. []
  7. Dejando electrones y una cantidad marginal de positrones. Esta partícula, que fue predicha en la teoría por Paul Dirac, fue encontrada al fotografiar las huellas de los rayos cósmicos en una cámara de niebla. En la actualidad los positrones, a pesar de ser antimateria, nos son muy familiares y los producimos con facilidad, por ejemplo cuando hacemos una tomografía por emisión de positrones. []
  8. Aunque si se tienen en cuenta sus pequeñas masas los cálculos nos dicen que estarán mucho más fríos, a 1,6×10-4K. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 10 } Comentarios

  1. Gravatar Juan Carlos | 09/08/2017 at 02:58 | Permalink

    Gracias jreguart por tu esfuerzo en esta extraordinaria serie.

    Saludos

  2. Gravatar jreguart | 09/08/2017 at 04:09 | Permalink

    Hola Juan Carlos,

    muchas gracias a ti por tus amables palabras. Un saludo.

  3. Gravatar Nahuel | 09/08/2017 at 04:55 | Permalink

    cuando dices “millones de partículas virtuales con velocidades relativistas” te refieres a los gluones que mantienen confinados a los quarks dentro del núcleo y a los piones como energía de ligadura que permiten tener relativamente cerca a pesar del rechazo que generan sus cargas iguales a los protones ?. parece que me he “ligado” con tanto pegamento , pero estoy muy contento con la serie que va tomando cada vez más “peso” jajaja . es un agrado leerte , un abrazo a la distancia.

  4. Gravatar jreguart | 09/08/2017 at 08:06 | Permalink

    Hola Nahuel,

    te recomiendo la lectura del siguiente artículo en donde se completa mucho más lo poco que apunto respecto a las interioridades de neutrones y protones: https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-structure-of-matter/protons-and-neutrons/

    Como verás, en el artículo se explica cómo dentro de los nucleones se apelmazan además de los tres quarks “estandar” y los tres gluones “ligadorse” muchos más gluones y quarks de todos los tipos, surgidos de las inestabilidades cuánticas en forma de pares partícula-antipartícula, que no sólo se aniquilan de nuevo entre ellos sino que también interactúan entre ellos dando otro tipo de partículas.

    Los piones son intermediadores de la fuerza nuclear fuerte en su segunda derivada. No están dentro de los nucleones sino que su trabajo consiste en ligar protones y neutrones dentro del núcleo sin que este se desintegre por las repulsiones de las cargas positivas de los protones. Los gluones están en los nucleones pero los piones están fuera de los nucleones.

    Me alegro que te guste la serie y espero que no coja mucho peso de forma que no se nos haga muy pesada. Un saludo ¿desde dónde la distancia?

  5. Gravatar Gabo | 10/08/2017 at 10:18 | Permalink

    “Una vez más adopto la licencia de llamar a los neutrinos radiación, acepción que se aplica normalmente a los fotones”. yo hasta hace poco por esa misma razón daba por hecho que la radiación cósmica era radiación electromagnética , pero me enterado que son mayoritariamente protones, electrones y núcleos atómicos provenientes de otras galaxias . muy buena serie , te felicito y espero que sigas deleitandonos con esta biografía del universo.

  6. Gravatar Fernando | 10/08/2017 at 11:41 | Permalink

    es posible pensar que en la aniquilación positrón-electrón con resultado del par neutrino-antineutrino electrónico se deba a la gran energía extra que portaban los primeros en aquella época ? porque siempre he visto como resultado de la colisión sólo dos fotones gamma de 0,511 mev cada uno ….. gracias por tu gran esfuerzo y dedicación en divulgar ciencia .

  7. Gravatar Rolo By | 10/08/2017 at 11:58 | Permalink

    “Pero la vida no es tan tranquila. El sustrato que estaba soportando estos intercambios, el tejido espacio-temporal del Universo, se estaba expandiendo, lo cual afectaba a la longitud de onda de los neutrinos, alargándola y en consecuencia disminuyendo su energía”…. grande amigo Jreguart , esto era lo que yo necesitaba para mi trabajo en ciencias , te lo agradezco mucho , así deberían enseñar los maestros en américa . una gozada leer tu entrada , desde hoy la tomo desde el inicio . un abrazo

  8. Gravatar jreguart | 11/08/2017 at 09:15 | Permalink

    Hola Gabo,

    quizás mis palabras den pie a una interpretación incompleta. Realmente las radiaciones cósmicas son eso “radiaciones”. Como lo son las emisiones provenientes de los elementos radiactivos cuando estos decaen. Como lo son los rayos X médicos y tantas otras. En la entrada mi intención era otra. Siempre se habla al analizar la vida de nuestro Universo de la existencia de varias épocas, que se diferencia por el dominio de la materia o el dominio de la radiación o algo intermedio de transición. Este el sentido al que me refiero cuando hablo de “…llamar a los neutrinos radiación…”, donde pretendo asemejarlos a la radiación “cosmológica” personalizada en los fotones, contrapunto del resto de partículas que serían la “materia”.

    Y gracias por tus palabras. La serie sigue y espero acabar con una mirada a nuestro cielo nocturno.

  9. Gravatar jreguart | 11/08/2017 at 09:56 | Permalink

    Hola Fernando,

    la reacción de aniquilación del par electrón-positrón dando neutrinos es una interacción más mediada por la fuerza nuclear débil. Realmente se aniquilan dejando paso a un bosón débil Z que se desintegra en la pareja de neutrinos. Como ves esta reacción es semejante a la que como resultado se generan dos fotones, reacción intermediada por la fuerza electromagnética. Sabemos que a altas energías ambas fuerzas eran iguales, por lo que podemos pensar que la reacción emitiendo la pareja de neutrinos se debía dar fácilmente a altas energías, como tu comentas.

    Te tengo que advertir que yo no soy un físico de profesión y sí un completo autodidacta. Por lo que mi respuesta queda abierta a cualquier aclaración de los que sí realmente saben. Y gracias por tus inmerecidos elogios.

  10. Gravatar jreguart | 11/08/2017 at 09:57 | Permalink

    Hola Rolo By,

    Gracias por tus palabras. Me alegro de que mi trabajo pueda servir para abrir horizontes de curiosidad a otras personas. Un saludo.

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