La tabla de los elementos de la física: campos bosónicos y campos fermiónicos


La física es la ciencia que estudia los elementos más fundamentales de la realidad. Toda la naturaleza está constituida por unos pocos ladrillos esenciales que los físicos denominan partículas. La noción moderna de partícula es la misma que Demócrito daba a sus átomos. Las partículas físicas son entidades indivisibles; puntos cuánticos. Con el tiempo los físicos se han dado cuenta de que todas esas partículas tienen un campo de energía asociado a ellas que se extiende por todo el orbe. De modo que el concepto de partícula no sería tan fundamental como se creía. En realidad, los elementos más fundamentales de la naturaleza son los campos de energía. Y las partículas no son otra cosa que excitaciones de estos campos en algunos puntos concretos. De momento el ser humano ha conseguido identificar siete campos principales. Cinco de ellos dan lugar a las partículas de fuerza (higgs, gravitón, fotón, W y Z, y gluon) y dos a las partículas de materia (leptones y Quarks).

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Si nos atenemos sólo al grado de profundidad, la teoría estándar de partículas es la construcción intelectual más impresionante que ha parido el ser humano. Se ha enfrentado a numerosos problemas, y todos los ha ido solventando con éxito. Sin embargo, todavía no ha conseguido resolver todas las cuestiones. Podemos dividir los problemas que aún quedan por solucionar en tres clases diferentes:  1- ¿Por qué las partículas y las fuerzas tienen esas cualidades en concreto y no otras distintas?; 2- ¿Existen otras fuerzas y otras partículas además de las que contempla la teoría estándar?; y 3- ¿Podemos unificar las fuerzas y las partículas que conocemos en una teoría más general?

1. ¿Por que las partículas y las fuerzas tienen estas características?

Todavía no sabemos por qué las partículas que conocemos tienen los valores que tienen: tres familias de partículas, la masa del Higgs, o el valor de la constante cosmológica (la fuerza positiva de la energía oscura). Hay valores teóricos que no coinciden del todo con los que vemos en los experimentos. Y hay otros que no coinciden en nada. Así, si suponemos que la energía de vacío es la que produce la energía oscura, los cálculos de su valor dan lugar a cifras mucho más altas de las que realmente estamos midiendo. Esto se conoce como el problema de la jerarquía. 

También hay que tener en cuenta que los valores concretos de las partículas pueden atender a lo que se conoce como principio antrópico (a un accidente histórico), y no a una necesidad fundamental implícita en la teoría. Así, podría haber una infinidad de universos paralelos con distintas soluciones, y el nuestro solo sería una de las muchas historias que se han dado a lo largo de la eternidad.

Tampoco sabemos explicar muy bien la función de onda de las partículas, su movimiento por el espacio a través de todos los posibles caminos, la interferencia destructiva que lleva al colapso de la onda, y la diferencia con los sistemas macroscópicos que viven en el colapso permanente. Todos los objetos recorren una trayectoria de mínima energía en línea recta. Pero parece que las partículas microscópicas son capaces de avanzar al mismo tiempo por muchos caminos distintos y elegir a posteriori los de menor energía (experimento de la doble rejilla) mientras que los objetos de mayor tamaño solo lo hacen por uno.  

En cualquier caso, todas las excitaciones del campo presentan una cualidad microscópica fundamental, que se conoce como superposición de estados, suma de historias, o principio de indeterminación. Es decir, las partículas elementales se encuentran al mismo tiempo en distintos estados, generando una onda de probabilidad. Este sistema no tiene equivalente en el mundo macroscópico. Así, cuando se alcanza una masa crítica, o cuando las partículas son influenciadas por un aparato de medida, la onda decae en un único estado (colapsa), y por eso es que no vemos gatos vivos y muertos al mismo tiempo. 

El campo de Higg asociado al vacío también tiene una interacción detrás, se llama interacción de yukawa, por tanto sería la quinta fuerza elemental, la quinta interacción. Pero de nuevo desconocemos algunas cosas sobre esta interacción descubierta hace solo unos pocos años. En realidad, hay mucho sitio al fondo, como diría el afamado físico Richard Feynman. Apenas estamos rasgando la escala de energías. 

2. ¿Existen otras fuerzas y otras partículas?

No sabemos si existen otras interacciones y otras partículas. A ese vacío de conocimiento lo llamamos energía y materia oscura. Una posible solución es asumir las predicciones de la teoría de supersimetría que dice que todos los fermiones tienen un compañero bosónico igual que ellos pero con spin entero, y que todos los bosones tienen un compañero fermiónico con spin fraccionario. Esas nuevas partículas teóricas aún no descubiertas serían los candidatos perfectos a ostentar el rango de materia oscura. 

Otras soluciones han sido convenientemente descartadas. Por ejemplo, la materia oscura no puede estar hecha de neutrinos porque estos casi no tienen masa, y no puede estar hecha de bosones Higgs porque estos no son estables y se desintegra muy rápido. Las propiedades de la materia oscura requieren de partículas pesadas y estables, que constituyan el 30 % de la masa del universo.

Por su parte, la energía de vacío puede ser la responsable de la energía que está acelerando la expansión del universo. Pero esta hipótesis nos obliga a aceptar unos resultados absurdos, con unos valores mucho más grandes que la cantidad de energía oscura que debería existir. Por tanto sigue siendo también un campo ignoto.

3. ¿Podemos unificar las fuerzas y las partículas?

No sabemos cómo se unifican las fuerzas. Suponemos que existe una teoría M o teoría de campo unificado. Al parecer las interacciones físicas convergen en una magnitud a energías muy elevadas. La energía de planck y la energía de unificación son mucho más altas que la energía que ahora somos capaces de producir en los aceleradores de partículas.

Para entender el universo en términos generales solo hay que aceptar que todo lo que vemos está formado por una serie de campos superpuestos que se extienden por todo el espacio. En física, un campo no es otra cosa que la distribución de una magnitud determinada, una propiedad cuyos valores disímiles acaban generando una extensión geométrica. 

Los campos presentan siempre dos estados posibles, un estado basal, y una excitación en algunos puntos. Esta excitación puede ser de dos tipos. Si la excitación produce una onda de propagación lineal, dará lugar a lo que se conoce como partículas bosónicas (interacciones). En cambio, si la excitación está producida por una onda estacionaria, la energía se concentrará en un punto concreto, y tendremos partículas fermionicas (materia). De ese modo, los bosones se encargan de transmitir la información a lo largo y ancho de todo el campo, son las partículas que arrojan esa información y que permiten que las otras se comuniquen. Estas otras partículas, que intercambian información, y que se ven afectadas por los bosones, son los fermiones. 

El principal problema al que se enfrentaba la física del siglo XX provenía del hecho de que las partículas eran consideradas como puntos imaginarios; sin extensión alguna. Este no es simplemente un problema de concepto. Es un problema matemático básico. Dicha consideración conduce a soluciones absurdas que dan lugar a resultados infinitos. La solución a este problema se ha remediado en parte de dos maneras distintas, y en ambos casos se ha tenido que aceptar que las partículas no son los elementos más fundamentales de la naturaleza, sino que lo son otras entidades que, en este caso, sí que tienen dimensiones. La primera solución consistió en describir la realidad como una suerte de campos extensos que cubren todo el espacio (teoría de campos unificada). Y la segunda nos ha llevado a creer que las partículas son en realidad cuerdas pequeñísimas, del tamaño de planck, pero con cierta extensión física (teoría de supercuerdas). Estas dos visiones constituyen hoy en día la avanzadilla de la exploración moderna para encontrar el santo grial de la física, la Teoría del Todo. Ambas se disputan el trono del reino de la materia de altas energías.

La solución a este dilema pasa por construir aceleradores de partículas cada vez más grandes y potentes, para analizar rangos de energía cada vez más elevados. Solo así seremos capaces de descubrir nuevas partículas y nuevas interacciones, que acaben dando la razón a unos u otros. Veremos quién se alza al final con la victoria, si los campistas o los locos de las cuerdas. La carrera no ha hecho más que empezar.

Acerca de Eladio

Licenciado en biología. Profesor de instituto. Doctorando en economía.
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