Una serie vertiginosa de partículas, fuerzas y campos dictan la base subatómica de todo lo que vemos.
Paul Sutter es astrofísico en la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe en el centro de ciencias COSI. Sutter también es presentador de "Ask a Spaceman" y "Space Radio", y dirige AstroTours en todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a Expert Voices de Space.com: Op-Ed & Insights.
Para visitar una tierra verdaderamente extraña llena de maravillas y misterios, no tienes que escabullirte a través de un gabinete mágico, montar una criatura voladora que no debería poder volar o saltar imprudentemente a través de un portal a otra dimensión. No, todo lo que tienes que hacer es abrir el acelerador de partículas y mirar hacia abajo, hacia abajo, hacia abajo.
En el nivel subatómico, la verdadera variedad y esplendor de la naturaleza está en plena exhibición, con una vertiginosa variedad de partículas, fuerzas y campos que zumban y zumban, regidos por leyes de física casi inescrutables. Sin embargo, de alguna manera, en lugar de crear un desorden caótico, todas sus interacciones complicadas producen el mundo macroscópico regular, ordenado y con el que estamos familiarizados. [Extraños Quarks y Muones, ¡Dios mío! Partículas más pequeñas de la naturaleza diseccionadas (infografía)]
Uno puede entender ese pequeño mundo segregado en una estricta jerarquía, con líneas claras entre los gobernantes y los gobernados, entre aquellos que se sientan cómodamente en sus castillos estables y los humildes campesinos que realmente hacen el trabajo. Las interacciones entre los distintos habitantes están establecidas en piedra por reglas inmutables: hay un lugar para todos, y todos tienen un lugar.
Ven, vamos a visitar.
Es bueno ser el rey
En el centro de todo están las partículas estables más masivas: los quarks arriba y abajo. Su longevidad les permite unirse en fortalezas casi inexpugnables: los castillos de nucleones conocidos como protones y neutrones. Pero no son los quarks mismos los que hacen el trabajo de mantener estas ciudadelas nucleónicas. De hecho, la masa combinada de todos los quarks en un nucleón es mucho más pequeña que la masa de un protón o neutrón.
En cambio, los quarks arriba y abajo están imbuidos de una habilidad especial que las otras partículas del reino no conocen. Pueden sentir la fuerte fuerza nuclear. Esa es, con mucho, la fuerza más poderosa, unir los quarks con tanta intensidad que nunca se puede ver uno solo de forma aislada. Esa interacción forma la columna vertebral invisible de nuestro mundo macroscópico. Damos por sentado los protones y los neutrones: así es como construyen sólidamente los muros de su castillo. Y sus masas se deben principalmente a la fuerza de sus enlaces nucleares internos, más que a los quarks individuales.
La fuerza nuclear fuerte no se detiene en el nivel de protones y neutrones. El pegamento que une a los quarks, dándoles dominio sobre todas las demás partículas, es tan dominante que puede juntar algunos de estos castillos en una fortaleza sólida conocida como núcleo atómico. Si bien esta estructura no es inexpugnable como los protones y los neutrones en sí, derribar un núcleo aún requiere un esfuerzo inmenso.
Sin embargo, a pesar de todo su poder dominante, el alcance del agarre vicioso de los quarks se limita a su castillo particular y sus alrededores cercanos. Esto se debe a que la fuerza fuerte, con toda su fuerza, está severamente limitada en su alcance. Esto es lo que establece el tamaño de las fortalezas, castillos y guardas que identificamos como los nucleones de nuestro mundo. [7 hechos extraños sobre Quarks]
Trabajando los campos
Más allá de ese rango limitado, los quarks mantienen sus dominios bajo control y se comunican entre sí a través de los mensajeros reales: los fotones. Esos enviados de pies rápidos saltan de un lugar a otro en el universo, sin cansarse nunca, llevando la fuerza electromagnética (electricidad, magnetismo e incluso la luz misma) a cualquier partícula que tenga carga eléctrica. Esta influencia se extiende por todo el cosmos, aunque, por supuesto, cuanto más lejos esté de la fuente, más débil será el efecto.
Esta unión electromagnética mantiene a los subordinados del mundo subatómico en línea, y mientras los quarks pasan sus días inactivos en la relativa comodidad de su castillo seguro y aislado, los "campesinos" oprimidos, los electrones, hacen todo el trabajo de hacer las ricas variaciones. de reacciones químicas posibles. Así es, son los electrones pobres e ignorables los que esclavizan a sus maestros de quark. Vinculado al núcleo por el electromagnetismo, pero generalmente impedido de entrar por las reglas de la mecánica cuántica, los electrones se intercambian entre los átomos, lo que nos proporciona la química que hace posible casi todo sobre nuestra vida cotidiana.
Los quarks gobernantes felizmente intercambiarán, robarán y tomarán prestado un humilde electrón de un dominio vecino, moldeando sus movimientos con la mano dura de los fotones, sin preocuparse por sus esperanzas, sueños o ambiciones individuales (fluyendo libremente a través del universo, girando alrededor del imán campos y así sucesivamente).
Acechando en las sombras
Pero no todas las partículas en el universo se mantienen bajo el pulgar de los quarks despóticos. Algunos pueden fluir libremente por todo el universo, sin sentir la fuerza fuerte e ignorando con seguridad las miradas hoscas de los fotones que pasan: los neutrinos. Estas partículas fantasmales pueden ocultarse a la vista, tan efervescentes que durante décadas pensamos que no tenían masa.
Los neutrinos vienen en tres tipos, el electrón-neutrino, muon-neutrino y tau-neutrino, pero están tan bien disfrazados que nunca estás seguro de cuál estás viendo. A medida que viajan, pueden recorrer las máscaras que usan, cambiando sus identidades con la facilidad de un espía experimentado. Sus máscaras determinan cómo interactúan (ocasionalmente) con el resto de las partículas en el universo: un electrón-neutrino participará solo en reacciones que involucran electrones, por ejemplo.
Pero debido a la naturaleza traviesa de los neutrinos, un proceso que genera un sabor particular de esta partícula no siempre se puede ejecutar a la inversa para capturar la variedad original nuevamente: se trata de identidades cambiadas.
Aún así, a pesar de todos sus trucos y subterfugios, los neutrinos no son inmunes a la influencia de los dominios de los quarks. Pero para que se produzca ese tipo de efecto, se requieren fuerzas especiales. Las partículas expertas llamadas bosones W y Z, portadores de la débil fuerza nuclear, son los únicos capaces de comunicarse con los neutrinos pícaros. En algunos casos, los bosones logran convertir a los neutrinos en criaturas más compatibles, como los electrones.
Incluso entonces, es una oportunidad afortunada: la mayoría de las veces, los neutrinos furtivos se escapan sin escocés.
Pero el conjunto de habilidades de esos bosones W y Z, los luchadores secretos de operaciones negras del mundo de partículas, se extiende más allá del encuentro infrecuente de neutrinos. También tienen acceso casi exclusivo al santuario interior de la fortaleza de nucleones y pueden cambiar un tipo de quark en otro. Si un neutrón escapa de la seguridad de un núcleo atómico, estos bosones especiales pueden transformar esa partícula en un protón más estable.
Fuera del reino
Por supuesto, esto no da una imagen completa del mundo subatómico. El modelo estándar completo, nuestro retrato de esas pequeñas criaturas y todas sus interacciones con los hombres ocupados es mucho más grande y más complejo de lo que puede contener algunos párrafos. Y aunque el Modelo Estándar es un triunfo de la física moderna, parcheado dolorosamente a lo largo de décadas, con predicciones precisas y experimentación precisa, también es una imagen incompleta de nuestro mundo.
Por un lado, no incluye la gravedad, que en este momento se describe mejor por la teoría general de la relatividad, también incompleta. También están las preguntas cosmológicas persistentes sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, sobre las cuales el modelo estándar tradicional no dice nada (porque esos fenómenos fueron descubiertos recientemente). Hay más: la masa del neutrino, la jerarquía de las fuerzas, etc.
Pero aunque está lejos de ser completo, y quizás un poco insatisfactorio en su enfoque de mascar chicle y cinta adhesiva para modelar el mundo físico, el Modelo Estándar es increíblemente útil. Puede predecir con sorprendente precisión los movimientos y movimientos de esos habitantes subatómicos y todos sus nefastas intrigas.
Obtenga más información escuchando el episodio "¿Quién vive en el zoológico de partículas?" en el podcast "Ask a Spaceman", disponible en iTunes y en la web en http://www.askaspaceman.com. ¡Gracias a Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. y @PoZokhr por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter.
