Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/271/17
Ciudad de México, 29 de noviembre de 2017

• Por primera vez en la historia se tiene completa la tabla periódica de los elementos, lo que los físicos llaman el modelo estándar.

Momento de la colisión entre partículas en el LHC.
Imagen: CERN/AFP, tomada de http://www.abc.es
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La ciencia sufrió una extraordinaria revolución ante el temprano descubrimiento, en el siglo XX, de que las leyes de la naturaleza conocidas dejaban de ser válidas en el microcosmos de los átomos, las moléculas y los núcleos. “Esta revolución cuántica ha sido asombrosa y todavía no termina, ya que estos procesos no son de un día o una semana, por el contrario, acontecen durante mucho tiempo. Aún seguimos aprendiendo y encontrando nuevos fenómenos”, reconoció el especialista en altas energías Gerardo Herrera Corral, del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav).

Uno de los lugares donde se ha puesto a prueba la mecánica cuántica a niveles extremos y donde se averiguan nuevos fenómenos es el laboratorio de física de partículas Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el acelerador más grande en el mundo que se encuentra en el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN, por sus siglas en francés), en Suiza cerca de la frontera con Francia.

Para explicar el nuevo conocimiento, dijo el investigador miembro de la Academia Mexicana de Ciencias, es importante reflexionar un poco sobre la concepción que se tenía en el siglo XIX, cuando se pensaba que la tabla periódica de los elementos de Mendeléyev era la que describía los elementos de la naturaleza.

“Eso ya no es correcto, hay una nueva tabla periódica de elementos que es mucho más sencilla, y esa reducción drástica de elementos tiene que ver con el desarrollo científico y de la gran revolución que ha significado entender el mundo microscópico, es decir, la revolución de la mecánica cuántica”, señaló Herrera Corral.

El físico sostuvo que todos los elementos conocidos y aprendidos de la tabla periódica ahora se pueden entender en términos de partículas, de seis quarks y seis leptones. “No se requiere aprender todo, bastaría con saber la primera familia, el quark arriba (up) y el quark abajo (down), el electrón y su neutrino, y así entender todo lo que nos rodea y todo lo que podemos ver”. Un ejemplo, sería el átomo de helio, formado por dos protones, constituidos por tres quarks, dos de ellos up (u) y uno down (d); y un neutrón, constituido por dos quarks d y uno u.

Las fuerzas de la naturaleza
A esa nueva tabla también hay que agregar las interacciones; es decir, cómo estos quarks interaccionan entre sí para unirse y formar protones, para ello es necesario tener otras partículas llamadas fuerzas y hay cuatro de ellas: fotón, gluón, zeta cero (Z0) y doble u más-menos (W+-).

Estas partículas también son conocidas como fuerza electromagnética (fotón), fuerza débil (W+- y Z0) y fuerza fuerte (gluón), aunque también existe una interacción más, la gravitacional, pero la revolución cuántica solo comprende las primeras tres fuerzas naturales.

Para una mejor comprensión, Herrera Corral indicó que la fuerza fuerte se puede estudiar en un átomo, cuando se ve que en el núcleo del átomo hay protones y estos están conformados de dos quarks u y un quark d, los cuales están unidos gracias a la fuerza fuerte, “por eso nos es poco familiar, porque se encuentra a un escala microscópica, pero eso que ocurre ahí es una interacción fuerte que une a los quarks d y u para formar un neutrón y todo se encuentra en los núcleos de los átomos”.

La fuerza débil tampoco nos resulta familiar, sin embargo, está en la esencia misma de la vida, es lo que da luz y calor, los procesos que ocurren en el centro del Sol se deben a esta interacción, a la fuerza débil, y gracias a ella existe vida en el planeta, destacó el doctor en Física por la Universidad de Dortmund, Alemania.

Gerardo Herrera añadió que la fuerza que sí se conoce más es la electromagnética porque es la responsable de mantener a los electrones en los átomos; es también la responsable de la electricidad.

El bosón de Higgs
Además de quarks, leptones y fuerzas, se debe agregar el bosón de Higgs, descubierto en 2012, que representa una de las grandes comprobaciones en niveles extremos de energía de lo que es la mecánica cuántica; muestra que la revolución continúa porque en el fondo de este hallazgo está una teoría espectacular que es la mecánica cuántica, pero también conceptos importantes desarrollados a lo largo del siglo pasado, resaltó el científico.

El descubrimiento del bosón de Higgs se hizo en el Gran Colisionador de Hadrones, un enorme acelerador y colisionador de partículas que se encuentra entre 100 y 170 metros por debajo del nivel del suelo y consiste en un anillo con casi 28 kilómetros de diámetro.

El experimento que se lleva a cabo en esta estructura es muy sencillo en cuanto a su concepto: acelera paquetes de protones, que en el caso del LHC se trata de los paquetes más intensos que se han podido crear en la historia de la humanidad. Cada uno de estos paquetes contiene más de 100 mil millones de protones que se cruzan cada 25 mil millonésimas de segundo (cada 25 nanosegundos) e interacciona; a los siete metros de distancia viene el siguiente paquete para producir otra interacción.

Una vez que los protones interaccionan se produce radiación en todas direcciones, esta radiación y las partículas que se producen se miden con detectores alrededor del punto de coalición. Esto es la física experimental de alta energías.

El descubrimiento del bosón de Higgs
En una sesión experimental en el LHC se aceleraron protones y se hicieron chocar a una velocidad muy cercana a la de la luz (300 mil kilómetros por segundo), eventualmente se detectaron dos líneas verdes, “que fue oro para los físicos, porque significó la aparición del Higgs”, dijo el investigador.

El bosón de Higgs representa la constatación de la mecánica cuántica y es un campo que lo permea todo. Las partículas adquieren masa cuando interaccionan con el campo de Higgs, así que cuando dos protones con una gran energía chocan es tal la energía que se produce que logra estimular el campo de Higgs, se produce un grumo que viaja y se puede detectar.

Después de un zeptosegundo (la miltrillonésima parte de un segundo) esa excitación del campo de Higgs decae en dos fotones (la luz que se puede observar en los detectores), las barras verdes vistas en 2012.

De esta forma “hemos aprendido cuáles son las partículas elementales, que hay partículas de materia, partículas de fuerza y el campo de Higgs, una partícula especial que le da la masa a las demás. Por primera vez en la historia de la humanidad, tenemos completa la tabla periódica de los elementos, a esto le llamamos los físicos el modelo estándar”, aseguró Gerardo Herrera Corral, durante su participación en la mesa redonda “La revolución cuántica” del Segundo Encuentro Libertad por el Saber-Tiempos de Revoluciones en El Colegio Nacional, en octubre pasado.

Elizabeth Ruiz Jaimes.