Los átomos

Divisiones de la materia. Composición. Historia. Desintegración radioactiva. Acelerador de partículas. Neutrino. Quark top. Antimateria

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EL MUNDO MÁS PEQUEÑO

LA MATERIA DE DEMOCRITO A LOS NEUTRINOS UNA HISTORIA MUY PARTICULAR

Demócrito de Abdera, hace más de 2,400 años intuyó que el mundo debían estar formados por simples y minúsculos granos de materia primordial a los que les dio el nombre de átomos (indivisible). Hasta ahí, tenía razón, lo malo es que, ala hora de explicar las diferencias entre unas y otras, pecó de ingenuidad.

SORPRESA LOS ATOMOS PODIAN DIVIDIRSE

En 1803, el químico inglés John Dalton desempolvara el viejo término acuñado por Democrito. Según su teoría la materia se podía dividir en dos grandes grupos el de los elementos y el de los compuestos. Los primeros son unidades simples y fundamentales, hasta ahora se han descubierto 108 a los que denomino átomos, en homenaje a Democrito. Los segundos son combinaciones de los primeros de acuerdo con ciertas reglas, que dan lugar a estructuras complejas llamadas moléculas.

En 1891, el físico J. J. Thompson dio una nueva clave de la composición de la materia. Mientras estudiaba la naturaleza de los rayos catódicos observó que estos estaban formados por enormes cantidades de pequeñas partículas cargadas de electricidad negativa. Los electrones, habían sido predichos por el físico irlandés Stoney, aunque Thompson fue el primero en aislarlo dando por resultado una masa de 1,836 veces menor que el Hidrógeno (el menor de todos).

Así el átomo ya no podía ser la partícula más pequeña. La primera aproximación al concepto actual se debe a Ernest Ruthenford, físico de la universidad de Manchester que en 1911 propuso el modelo prácticamente calcado por el sistema Solar; el átomo se forma de núcleo central, con carga positiva que concentraría casi toda la masa y alrededores del cual girarían en órbitas concéntricas los electrones; confirmada posteriormente por Niels Bohr.

Descubierta una partícula más pequeña que el átomo, en 1914 Ruthenford dio con el protón que es mayor al electrón; con carga eléctrica positiva. El inglés James Chadwick remató la terna de descubrir en 1932 al neutrón, que junto con el protón, forma el núcleo atómico.

PARTICULAS INDIVISIBLES QUE ATRAVIESAN LA TIERRA

Las investigaciones realizadas en los años treinta sobre la desintegración radiactiva llamada desintegración beta (mediante la cual un núcleo atómico se transforma espontáneamente en otro emitiendo partículas beta), capturando un electrón que en los laboratorios parecía deducirse que durante el proceso de desintegración nuclear desaparecería una pequeña cantidad de energía, según la física es imposible, pues la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

La hipótesis propuesta en 1931 por Wolfgang Pauli es que durante la desintegración, además de las partículas ya conocidas, el núcleo atómico debía expulsar una nueva partícula ignorada portadora de la energía que faltaba, no tendría carga eléctrica ni prácticamente masa, bautizada por el italiano Enrico Fermi con el nombre de neutrino (pequeña cosa neutra). El neutrino esquivo intentos de los físicos; ya que apenas interacciona con la materia. En 1956, Clyde L. Cowan y Frederick Reines lograron capturarlo en las emanaciones de un reactor nuclear.

Con Pauli había quedado resuelta la estructura atómica, integrada por cuatro tipos de partículas 8electrón, protón, neutrón y neutrino), por mucho tiempo como fundamentales. En los años cincuenta y sesenta, los primeros aceleradores de partículas revelaron que estos elementos no estaban solos sino con la familia de los hadrones. A mediados de los sesenta, el número de partículas elementales se acercaba al centenar.

LA MATERIA GRANDES DESCUBRIMIENTOS SUBATOMICOS

La naturaleza se rige por fuerzas que mantienes atrapados los planetas dentro del sistema solar, se pueden desintegrar los átomos y nuestros pies andan pegados al suelo. Los físicos reconocieron varios tipos fundamentales de fuerzas basadas en los fenómenos naturales. La fuerte interacción actúa en el seno del núcleo atómico. Su oponente es la interacción débil, responsables de desintegraciones radiactivas que junto al electromagnetismo forman la fuerza electro débil, y por último la gravitación.

EL ESCRITOR JAMES JOYCE CONVERTIDO A LA CIENCIA

Para resumir las cosas, Murria Gell Mann, del instituto de tecnología de california y George Zweing, investigador del centro europeo de Física de Partículas (CERN), Ginebra, propusieron en 1964 reunir los cientos de partículas pertenecientes a la familia de los hadrones (son sensibles a las interacciones fuertes). Entre ellas estaban el protón y el neutrón, una lista de elementos que pasa del centenar. Todas tenían una característica común, son compuestas por corpúsculos; hasta entonces desconocidos a los que llamaron quarks.

Nombre robado por Gell Mann del libro (granizo) o quark (jarra).

EL QUARK TOP ES LA ÚLTIMA PARTÍCULA HALLADA

Al principio se aislaron sólo tres quarks, el up (arriba), down (abajo) y strange (extraño), que podían construir todos los hadrones conocidos. El descubrimiento de nuevas partículas cada vez más profundo de sus comportamientos, harían necesaria la existencia de un cuarto quarks, charm (encanto), detectado en 1974 en los laboratorios de la Universidad de Stanford, San Francisco. La existencia de un quinto quarks, botton (fondo), fue comprobada en el laboratorio Fermi, (Chicago 1977).

Paralelamente se establecía una analogía entre los quarks y los leptones, la otra gran familia de partículas estas son sensibles a la interacción electro débil. Se conocen seis leptones: el electrón; el neutrino del electrón, el moún, el neutrino del moún, el tau y el neutrino del tau. Un sexto quark, al que se le llamo top (cima), cuya detección se ha consolidado recientemente en el consolidador de partículas Tevatron del Laboratorio de Fermi, Chicago.

HAY ELEMENTOS QUE SOLO APARECEN ARTIFICIALMENTE

Estos Elementos, han podido desarrollar el llamado Modelo estándar, guía de partículas durante las dos últimas décadas. La teoría dice que basta un puñado de partículas elementales de unos cuantos tipos para fabricar todo ele universo conocido.

Los quarks se agruparon por dobletes, cada uno de los cuales se asocia a una pareja de leptones para formar una familia o generación de constituyentes fundamentales de la materia. La primera familia de quarks arriba y abajo, unidos al electrón y al neutrino del electrón, forman toda la materia.

Las otras dos familias de quarks extraño y encanto, el muón y el neutrino del muón, los quarks cima y fondo, el tai y el neutrino del tai. Estos dos grupos no pueden existir de una manera estable en las actuales condiciones del universo, son observables en los laboratorios de física de partículas.

PARA COMPLICAR LAS COSAS, NACE LA ANTIMATERIA

La diferencia entre leptones y quarks, es su sociabilidad. Los primeros se hallan aislados, vagando libremente por la estructura atómica, los segundos están en grupo. Esto se debe a los distintos tipos de fuerzas que actúan sobre ellos. Los leptones sólo son sensibles a la interferencia electro débil, y no son afectados por la fuerte, que sí actúa sobre los quarks. Se apiñan en pares o tríos formando hadrones, indestructibles paquetes de quarks. Nadie ha podido observarlos hasta ahora, su existencia sólo se manifiesta indirectamente, se producen al desintegrar hadrones en aceleradores de partículas.

Esa indisoluble unión es una carga especia que poseen los quarks, a la que los científicos han llamado carga de calor. Es similar a las energías eléctricas, pero mucho más complejas. Las pequeñas partículas se sienten atraídas unas a otras por está especie de pegamento super fuerte que actúa a tras niveles diferentes. Hablar de que hay 18 quarks: los seis conocidos, cada una de los tres niveles, llamada interacción fuerte que enlaza los protones y los neutrones dentro del núcleo atómico. Todavía queda por resolver otra cuestión de la antimateria.

En los años 20, el joven físico británico Paúl Maurice Dierac llego al a conclusión de que debía haber una partícula cargada positivamente y con una masa idéntica al a del electrón. 1931, la existencia del antielectrón actualmente conocido como positrón, es la primera evidencia de que a cada partícula le corresponde otra idéntica, de distinto signo.

EL QUARK TOP UN INDIVIDUO TAN EXTRAÑO COMO EL YETI

El físico estadounidense Carl Anderson demostró experimentalmente, estudiando la radiación cósmica, que los positrones no solo los electrones, sino todas las partículas, tenían sus antagonistas.

Dirac, en su discurso al recibir el premio Nóbel 1933, se atrevió a plantear la posible existencia de mundos formados la antiestrella, antiplanetas o, incluso, antihumanos.

La teoría estándar explicara la forma en que las partículas se relacionan unas con otras, se transmiten la fuerza entre ellas.

La primera pista la proporciono la teoría quántica de electromagnetismo, electrodinámica quántica, desarrollada en los años 40 por Richard P. Feyman, Julian S. Schwinger y Sin Itiro Tomonaga. Según está teoría; la fuerza electromagnética le corresponde un tipo de radiación, la banda electromagnética, considerada como un conjunto de corpúsculos o grado de energía, llamados fotones.

Entre partículas de carga eléctrica, está fuerza se transmitirá mediante el intercambio de fotones, emitidos por una y absorbidos por la otra.

ASI SE DESCUBRIO EL QUARK TOP

En 1983 Carlos Rubbia estuvo apunto de dar con el primer quark top, tuvieron que pasar 10 años más para que los científicos del Fermi LAB de Chicago anunciaran su hallazgo definitivo. Utilizando el Tevatron y analizando 16 millones de colisiones entre protones y antiprotones. Los equipos que participaron el la búsqueda se hallaban dos mexicanos.

El último ladrillo de la materia están inestables que en el momento mismo de su creación ya a dejado de ser un quark para convertirse en otra partícula o en energía. En 1977 apareció el quark bottom, el que se suponía que debía ser su inseparable compañero.

El objetivo de cazar al quark top se construyo cerca de Chicago Tevatrón, el acelerador de partículas del Fermi Nacional laboratory in Bataviia. Escapas de alcanzar energías de hasta 2000 Gev, mientras que el LEP europeo solo llegaba a los 180. En el los haces de protones y antiprotones viajan en un sentido opuesto y colisionan 250000 veces. Dos detectores especiales se encargan de seguir el rastro de los cientos de partículas que se producen tras cada impacto; el misterio del quark top se debe a no poder ser observado directamente, pues se desintegra casi al instante en un quark botton y en un bosón W., una de las partículas portadoras de la fuerza electro débil.

Siempre aparecen en parejas una partícula y u antipartícula, de las pistas dejadas por dos quark botton y dos bosones W, que se desintegran, en más de un centenar de partículas estables.

En 1987 se recogieron los primeros datos de las primeras colisiones. Desde agosto de 1992 hasta mayo de 1993, se seleccionaron los 16 millones de colisiones entre protones y antiprotones en el CDF, uno de los detectores del acelerador, que pesa 4500 toneladas. Nueve meses de análisis el equipo dirigido por Mel Shochet y Bill Carithers logro aislar una decena de impactos que parecían corresponder a las características del quark top.

COMO FUNCIONA UN ACELERADOR

Ni el más potente de los microscopios de efecto túnel es capaz de traspasar la barrera visual de los átomos, cuyas dimensiones son del orden de la cienmillonésima de centímetros. Para estudiar los elementos sub. Atómicos por otros medios: los inmensos aceleradores de partículas.

La misión consiste en provocar colisiones entre corpúsculos, y lanzándolos sobre un blanco fijo o bien uno contra otros a velocides muy próximas a la de la luz. En el momento del choque se libera una gran cantidad de energía que se convierte en materia nueva. El estudio de estas emisiones permite conocer la naturaleza de los leptones y quarks que las provocan. El único método conocido par acelerar partículas es someterlas a la acción de campos electromagnéticos, solo se pueden utilizar aquellas que poseen carga eléctrica, el electrón y protón, junto a sus correspondientes anti partículas.

Estos elementos se condensan en haces del tamaño de una cabeza de alfiler y se introducen en una pista de aceleración dentro de un tubo de vació rectilíneo y circular. El mayor acelerador lineal está instalado en la universidad de Standford, California. Los más utilizados son los aceleradores circulares denominados sincrotones, y los paquetes de partículas y anti partículas se lanzan unos contra otros haciéndolos girar en sentidos opuestos por el tubo mediante el uso de imanes y campos de radiofrecuencia.

El graviton, una partícula todavía hipotética, cumpliría esta misión respecto al fuerza gravitacional; los gluones, cuyo número ascendería a 8, trasmitían la fuerza de color, y el fotón y otros tres bosones intermediarios, el W +, w- y el z, serían los portadores de la fuerza electro débil.

TODAVÍA NO HEMOS LLEGADO AL FINAL DE LA HISTORIA

La detección del último quark previsto reconfirma, la validez de la teoría estándar.

Todavía no ha sido comprobada la existencia del neutrino tau, ni tampoco los llamados bossones de higgs, sin cuyo concurso la física sería incapaz de explicar, hoy por hoy, como las partículas adquieren su masa.

Ya confusa con tanto quark, foton y lepton. Teresa Rodrigo, ha dado con el quark top en el detector Tevatron de Fermi LAB, predice: “Los físicos sospechamos, en realidad estamos convencidos de que el modelo estándar, a pesar de su increíble cosecha de exitos, no puede ser el final de la historia. Debe haber algo más, ¿Pero porqué?”.

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