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El mes pasado vimos la teoría acerca de la interacción electrodébil, uno de los pilares del llamado modelo estándar que introdujimos anteriormente. La otra pieza de este modelo se refiere al funcionamiento de la fuerza nuclear fuerte, y se conoce por el nombre de cromodinámica cuántica.
CROMODINÁMICA CUÁNTICA
Con este nombrecito tan curioso se denominó a esta teoría tras los trabajos de principios de los años 70 del siglo XX, llevados a cabo por David Politzer, Franck Wilzek y David Gross, todos ellos Premio Nóbel de física en el año 2004. El nombre se debe por un lado a que se basa en la mecánica cuántica, como casi toda la física de partículas moderna, y por el otro a que se explica mediante algo que llamaron “color” (de ahí lo de “cromo”)
La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos los núcleos atómicos, los cuales se hallan formados por neutrones y protones. Estos últimos se repelerían si sólo actuara entre ellos la fuerza electromagnética, puesto que cada uno de ellos porta carga positiva, y ya se sabe que cargas iguales de repelen. Los neutrones, al no tener carga electromagnética y solo verse afectados por la fuerte, contribuyen a dar más estabilidad al núcleo.
Pero no olvidemos que los protones y los neutrones se hallan a su vez compuestos de otras partículas más pequeñas, los llamados quarks. Recordemos que hay 6 tipos de quarks, conocidos por exóticos nombres: arriba, abajo, extrañeza, encanto, belleza y verdad. Los denominados “arriba” y “abajo”, se unen para formar protones y neutrones, mientras que el resto se combinan en partículas extrañas sólo detectadas en laboratorio.
Las matemáticas de la cromodinámica cuántica nos indican la forma en que se combinan los quarks “arriba” y “abajo” en el núcleo atómico. La clave está en lo que se llama “color”. Lógicamente estas diminutas partículas no tienen color tal y como se entiende normalmente, pero se ha llamado así a esta propiedad porque facilita enormemente la comprensión de todo esto.
Así, podemos decir que los quarks pueden ser de color rojo, azul y amarillo. Si mezclamos tres pinturas de estos colores primarios obtenemos color blanco, y del mismo modo los quarks se unen formando tríos cuya mezcla da el blanco.
Es el momento de recordar que la fuerza nuclear fuerte, como las otras fuerzas, se manifiestan mediante un campo, lo cual es equivalente, como manda la mecánica cuántica, a un intercambio de partículas. Estas partículas se llaman bosones genéricamente para cualquier fuerza y gluones en el caso que nos ocupa. Pues bien, estos gluones cambian el color de los quarks, de forma que cualquiera de los 6 tipos puede tener cualquiera de los colores.
Esto se entiende si pensamos que también los gluones están coloreados, y podríamos decir que al pasar de un quark otro, el color del gluón se mezcla con el del quark cambiándolo.
Entonces el protón estará formado por dos quarks “arriba” y uno “abajo”, y el neutrón por un quark “arriba” y dos “abajo”. En ambos casos han de ser tríos formados un quark de color rojo, otro amarillo y el tercero azul, para que la unión se pueda llevar a cabo.
Y estas son las leyes que rigen el núcleo atómico, las cuales son extrañas sin duda, pero ya en el siglo XX se comprendió que la naturaleza funciona de manera que nada tiene que ver con lo que puede parecer a simple vista.
Ha habido intentos para demostrar que esta fuerza, la nuclear fuerte, se puede unificar con la electrodébil para llegar a comprobar que ambas no son otra cosa que aspectos de una misma fuerza. Son las llamadas Teorías de Gran Unificación.
GRAN UNIFICACIÓN
Según Stephen Hawking: “este nombre resulta bastante exagerado: las teorías resultantes ni son tan grandes ni están totalmente unificadas, pues no incluyen la fuerza de la gravedad”. No obstante, continua Hawking: “pueden constituir un primer paso hacia una teoría completa y totalmente unificada”
El mes pasado vimos cómo, a altas energías, la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo resultan ser la misma fuerza. Entonces, del mismo modo, la fuerza nuclear fuerte se va debilitando según aumenta la energía y, a determinada temperatura, debería ser de la misma intensidad que la electromagnética y la débil o, lo que sería lo mismo, idéntica a la electrodébil. Por tanto podrían tratarse todas ellas de la misma fuerza con diferentes manifestaciones.
Además, a esas temperaturas, partículas como los quarks y los electrones resultarían ser también la misma, acercándonos más aún a la unificación de toda la física. No hay que olvidar que la base de todo esto es que parece ser que al principio del universo, esa alta energía era la única que había, y que todo indica que una única fuerza se fue diferenciando al enfriarse su entorno.
El problema es que la energía necesaria para recrear esas condiciones y comprobarlo, supera en unos mil millones de veces lo que podemos conseguir con nuestra tecnología. Pero hay otros métodos para verificarlo.
Estos modelos predicen la vida media del protón, que resultaba ser de aproximadamente 100000000000000000000000000000 de años. Entonces, una manera de valorarlos sería medir esa vida media. No es necesario esperar tanto tiempo para ver si un protón se desintegra, porque hemos dicho que esa es la media, no la vida de cada uno de ellos. Si se observa el suficiente número de protones, en un tiempo razonable deben desintegrase unos pocos de ellos según las teorías.
Desgraciadamente todos los experimentos llevados a cabo indican que la vida media del protón es superior a lo previsto. Parece ser que al menos mil veces superior a lo que indican los modelos de gran unificación. Así pues, hay que esperar a ver si se pueden reformular estas teorías y, en definitiva, a que surjan nuevas ideas al respecto.
El mes que viene acabaremos con la unificación de fuerzas viendo el intento por añadir la gravedad a estas unificaciones y conseguir la teoría unificada final.
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