La Materia (III) y final

tabla

La Materia (I)

La Materia (II)

5. La tabla periódica de los elementos, las partículas elementales

La primera versión de la Tabla Periódoca de los elementos fue propuesta por Dimitri Mendeleev, en 1869 y, en ella aparte de ordenar los elementos existentes, predijo otros que eventualmente fueron descubiertos. Para explicar desde una perspectica más profunda la tabla periódica se propuso el modelo atómico de Bohr. El modelo atómico de Bohr, de 1913, es la representación del átomo que más se ha popularizado, por su similitud con el sistema planetario y por su aparente sencillez; pese a haber sido sustancialmente mejorado por el átomo de la mecánica cúantica algunos años más tarde, modelo principalmente desarrollado por Erwin Schrödinger,entre otros, en la segunda mitad de los años 20 del siglo pasado.
Una de las ventajas que tiene el átomo de Bohr es que se necesitan sólo tres partículas elementales para construir no solo todos los átomos que forman la tabla periódica de los elementos sino, además, deja la posibilidad de seguir construyendo más, posibilidad que se ha verificado con la creación de cada vez más elementos.
Las partículas constituyentes de estos átomos son solamente los protones y los neutrones que forman los núcleos, y los electrones que “orbitan” a su alrededor, y es gracias a la fuerza electromagnética que los estos últimos están unidos a los núcleos para conformar átomos. Además, se necesita de una fuerza adicional que sólo “sienten” los protones y los neutrones, que los mantiene unidos para formar el núcleo. Esta fuerza nuclear cuyo funcionamiento no era para nada claro a Bohr, corresponde actualmente a la fuerza nuclear fuerte.
La característica más inquietante que tenían los átomos más pesados que se conocían a inicios del siglo XX, como el uranio, era la radiactividad que había sido estudiada por Becquerel y Marie Curie desde finales del siglo XIX y posteriormente por Enrico Fermi,y que no fue bien comprendida sino hasta que se introdujo y comprendió la interacción débil.

6.El Modelo Estándar de la Física de Altas Energías.
La serie de ideas que han surgido a través de los años, de las cuales hemos seleccionado algunas en los párrafos anteriores, nos han llevado al actual “Modelo Estándar de la Física de Partículas”. Este modelo tiene como escenario el espacio tiempo de la Relatividad Especial con el agregado de las reglas de la Mecánica Cúantica, y como actores a las partículas que a su vez también pueden ser interpretadas como ondas.

Las partículas tienen una primera clasificación que las divide en dos grupos
1. Partículas de interacción
2. Partículas de materia

Las  interacciones o fuerzas fundamentales son cuatro:
1. La fuerza gravitacional
2. La fuerza electromagnética
3. La fuerza nuclear fuerte
4. La fuerza nuclear débil
Todas ellas ya las habíamos mencionado anteriormente y, en principio pueden ser interpretadas como campos o como partículas, siendo las partículas asociadas con cada una de ellas el “graviton”, el “fotón”, los bosones vectoriales W y Z y por último los ocho gluones; de estos cuatro tipos de partículas sólo los bosones vectoriales tienen masa.
De las cuatro interacciones mencionadas solo las últimas tres están incluídas dentro del Modelo Estándar, pues desafortunadamente la Gravitación, la primera que conocimos de las cuatro no, es parte del Modelo como ya lo había mencionado Salam.  El fotón, que es la representación complementaria del campo electromagnético, provee un lenguaje adecuado para describir los fenómenos electromagnéticos que no pudieron ser explicados  por la Teoría Electromagnética de J. C. Maxwell y que de hecho condujeron al nacimiento de la mecánica cuántica con el trabajo pionero de Max Planck.
Los tres bosones vectoriales, dos W y un Z, son los mediadores de la interación débil y gracias a ellos finalmente se pudo explicar el tipo de decaimiento radiactivo que le dio tanto trabajo a Fermi, el decaimiento beta. Las últimas de las partículas de interacción son los gluones, de glue pegamento en inglés, que en efecto pueden interpretarse de manera muy simplificada que son partículas que sirven para mantener pegados a los quarks que forman las partículas elementales compuestas como los protones, los neutrones y cientos más que pueden ser formadas con ellos.
Las partículas de materia a su vez las dividimos en dos categorías, los leptones y los quarks

7.  La Materia en el Modelo Estándar
Finalmente las partículas de materia, que como ya lo indicamos anteriormente también como ondas por medio de la función de onda, tiene a su vez una primera subdivisión en:
1. Leptones y
2. Hadrones
Las primeras, los leptones, son consideradas realmente elementales y en la lista de 16 partículas de Salam había tres de ellas, el electrón, el neutrino y el muón, posteriormente se sumaron otras tres para completar seis. Tienen la característica de no reaccionar ante la interacción fuerte, digamos que no se “pegan” con los gluones como si lo hacen los hadrones.
Las segundas son los hadrones, que nos son elementales pues están formadas por quarks, y a su vez se subdividen en dos tipos:
1. Mesones y
2. Bariones
Los mesones son partículas o antipartículas compuestas por un quark y un antiquark y, dentro de las 16 partículas de 1960, había cuatro de ellos: dos piones y dos kaones, pero en la actualidad se ha encontrado una enorme cantidad de ellos.
Los bariones están formados por tres quarks y los antibariones por tres antiquarks. Los primeros bariones conocidos son los componentes del núcles atómico, el protón y el neutrón. En la tabla de 1960 había 8 de éstos contando por supuesto a los dos anteriores.
Como es de suponerse, los hadrones sí “sienten” la fuerza fuerte y es debido a la interacción que producen los gluones que los mesones pueden mantener unidos a sus quarks con sus antiquarks, y los bariones a su vez pueden mantener unidos a sus tres quarks. La fuerza nuclear que mantiene unidos a los protones con los neutrones en el interior del núcleo atómico entonces puede explicarse como una interacción residual de la interación fuerte que une los quarks.
Esta descripción de los quarks y los leptones hecha en este ensayo es un poco escueta por razones de espacio, pero es posible encontrar en la literatura y en internet compilaciones más completas pero más directas. Por ejemplo, en los libros de física general como los muy usados de Resnick Halliday y Krane, Serway y muchos más, hay en los capítulos finales una introducción a este tema por lo que podríamos esperar que fuese un poco más conocido por profesionales de otras disciplinas distintas a la física, pero desafortunadamente en los programás de los cursos de física general en Guatemala, esta parte jamás se cubre al contrario de lo que sucede en otros países, principalmente los de la unión europea, donde inclusive estos temás se tratan en la escuela secundaria. En lo concerniente a internet también hay una buena cantidad de sitios que proveen buena información como wikipedia y sobre todo el sitio del CERN.

El CERN es el centro europeo para la investigación de física de partículas y es allí  donde esta colocado el acelerador de partículas en que se han hecho los últimos grandes descubrimientos de partículas nuevas y muchas propiedades de las mismás. Por el momento no está en funcionamiento pleno pues, se esta haciendo una amplicación al mismo que se espera esté en operación a partir del año 2007 y con ello se espera poder hacer nuevos descubrimientos experimentales que confirmen algunos de los resultados obtenidos en forma teórica y suministre nueva información para alimentar el trabajo que los teóricos han estado realizado en las últimás décadas. Por otra parte, es importante señalar que el gran crecimiento de internet se debe principalmente a la invención de hipertexto que permitió la creación de la red www, precisamente desde el CERN, para facilitar la transferencia de datos y el acceso remoto a otras computadoras para los físicos. Por suerte el CERN, aparte de proveer una importante vía de comunicación para los científicos, se ha preocupado por divulgar el conocimiento del mundo de las partículas para todo público usando los recursos multimedia mismos que pueden ser consultado inclusive en español en el primer sitio que existió en la red  http://www.cern.ch
Para finalizar solo hace falta mencionar que el conocimiento actual de la materia no se limita al Modelo Estándar, sino que ha continuado con mucho trabajo teórico que ha conducido a las Teorías de Gran Unificación, Supersimetría y Supercuerdas, entre otras, que necesitan aún de mucho soporte experimental para poder consolidarlas plenamente.

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Acerca de Edgar Cifuentes

Profesor de Física de la Universidad de San Carlos de Guatemala
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