GALAXIA, MUON, QUARKS, PRÓTIDOS,
NEUTRINOS
En el Universo[D2] hay centenares de miles de millones de
galaxias. Cada una puede estar formada por centenares de miles de millones de
estrellas y otros astros. En el centro de las galaxias es donde se concentran
más estrellas. Todos los
cuerpos que forman parte de una galaxia se mueven a causa de la atracción entre
ellos debida al efecto de la gravedad[D3] , lo que
Newton definió como gravitación universal. En general hay, además, un movimiento mucho más amplio que hace que
todo junto gire alrededor del centro.
Aquí va una lista de las galaxias que tenemos más "cerca":
Galaxias vecinas Distancia
(Años luz)
Nubes de Magallanes 200.000
El Dragón 300.000
Osa Menor 300.000
El Escultor 300.000
El Fogón 400.000
Leo 700.000
NGC 6822 1.700.000
NGC 221 (M32) 2.100.000
Andrómeda (M31) 2.200.000
El Triángulo (M33) 2.700.000
Tamaños y formas de las galaxias
Hay galaxias enormes como Andrómeda,
o pequeñas como su vecina M32. Las hay en forma de globo, de lente, planas,
elípticas, espirales (como la nuestra) o formas irregulares. Las galaxias se agrupan formando
"cúmulos de galaxias". La galaxia grande más cercana es Andrómeda.[D4] Se puede observar a simple vista y parece
una mancha luminosa de aspecto brumoso. Los astrónomos árabes ya la habían
observado. Actualmente se la conoce con la denominación M31. Está a unos
2.200.000 años luz de nosotros. Es el doble de grande que la Vía Láctea.
Las
galaxias tienen un origen y una evolución. Las primeras galaxias
se empezaron a formar unos 1.000 millones de años después del Big-Bang. Las estrellas[D5] que las
forman también tienen un nacimiento, una evolución y una muerte.
El Sol, por ejemplo, es una estrella que se formó por acumulación de
materiales que provenían de estrellas anteriores, muertas. Muchos nucleos de
galaxias emiten una fuerte radiación[D6] , cosa que indica la probable presencia de un
agujero negro.
Los movimientos de las galaxias
provocan, a veces, choques violentos. Pero, en general, las galaxias se alejan las unas de las otras, como
puntos dibujados sobre la superficie de un globo que se infla.
MUON[D7] . El muón es
una partícula[D8]
elemental. Esto significa que no se descompone en otras partículas. No existe de forma permanente en el
universo, pues su existencia es muy efímera (2,2 microsegundos) y actualmente
sólo se encuentra en los rayos cósmicos y en los laboratorios.
El muón fue descubierto por el físico estadounidense Carl Anderson, en
1937.
Este científico estaba estudiando la
radiación cósmica, mediante campos electromagnéticos[D9] , cuando
observo que unas partículas provenientes del espacio se desviaban en curvaturas
mayores que las de los electrones, pero menores que las de los protones. Lo cual sólo podía significar que sus masas
eran intermedias entre las de electrones y protones.
Pero el muón se desintegra rápidamente en un electrón, un neutrino y un antineutrino[D10] . En
1960, se descubrió que el muón podía reemplazar, en algunos casos, al electrón[D11] de un
átomo.
Imaginar al muón como una "partícula", es una forma de hacer
más fácil la comprensión. Pero hay que saber que no es como una pequeña esfera.
En la mecánica clásica, se calcula que el radio del muón es 2,8179 × 10−15 m.
Este es un concepto desfasado, pero resulta útil para algunos cálculos.
Tanto[KS13] el electrón, como el muón y el tauón son
los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo,
a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa
ligero).
La carga eléctrica de un muón es
igual que la del electrón, pero su existencia es de sólo 2,2 microsegundos. En
cambio el electrón es un elemento estable en la naturaleza.
En el modelo físico de la mecánica cuántica,[D14] el
muón es una partícula puntual y no tiene volumen. Pero no hay ningún problema
para que se le asigne un momento angular (una rotación). Podemos pensar en que
el muón es como una bolita que gira sobre sí misma. Este momento angular se
denomina espín y está cuantizado; es decir, que no puede tener cualquier valor,
sino múltiplos de una cantidad mínima, que es 1/2. Este valor 1/2 se refiere a
la constante reducida de Planck
El muón, al igual que todas las partículas elementales (cuatro en cada
una de la tres familias), tiene espín de valor 1/2. A las partículas que tienen
espín 1/2 , se las denomina fermiones[D15] , en
honor del físico italiano Enrico Fermi (1901-1954).
QUARKS[D16] : Los quarks, junto con los leptones
(electrones, muones, tauones) y los neutrinos , son los constituyentes
fundamentales de la materia visible y son las partículas más pequeñas que el
hombre ha logrado identificar.
La palabra “quark” fue acuñada en
1963 por el físico estadounidense Murray Gell-Mann (1929) como una palabra sin
sentido que rimaba con Mark.
Encontró la palabra «quark» en un libro de James Joyce, en la frase “Three
quarks for Muster Mark”, que podría ser “Tres quartos para Mister Mark”. El
número tres encajaba perfectamente ya que en ese tiempo sólo había tres quarks
conocidos y estaban en grupos de a tres en los bariones. Pulse en la imagen,
para saber más acerca de este brillante científico,
Nunca ha sido posible aislar a un
quark. La vida solitaria les está prohibida. Siempre se encuentran en grupos de a tres (protones y neutrones, en
donde están unidos por el intercambio de gluones) o en grupos de a dos (
mesones pi y mesones K),
Esta capacidad para unirse, se debe a que experimentan la acción de la
fuerza nuclear[D17]
fuerte. Precisamente los trabajos iniciados por Murray para estudiar este
fenómeno, se denomina Cromodinámica Cuántica (CDC). Actualmente, se pueden
distinguir seis tipos de quarks (con los correspondientes antiquarks) que los
físicos de partículas[D18] han
denominado de manera arbitraria, pero
fácil de recordar y usar:
- Quark up (arriba) o simplemente u
---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1964.
- Quark down (abajo) o simplemente d
---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1968.
- Quark charm (encantado) o
simplemente c ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1971.
- Quark strange (extraño) o
simplemente s ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1964.
- Quark top (cima) o simplemente t
---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1995.
- Quark bottom (fondo) o simplemente
b ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1995.
Las variedades s, c, b y t son muy inestables y después del Big Bang
tardaron sólo una fracción de segundo en desaparecer del universo[D19] ; pero,
actualmente, los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las
variedades u y d sí que existen actualmente en la naturaleza de manera estable,
y se distinguen entre ellas por su carga eléctrica (entre otras
características).
En la naturaleza, los quarks u
y d no se encuentran aislados; siempre se aglutinan en grupos de a 2 (hadrones)
o de a 3 (bariones). Los protones y los neutrones están formados
por 3 quarks que se combinan de manera que producen una carga entera.
No hay información de cargas fraccionarias de partículas aisladas.
Actualmente se desconoce por qué la suma de las cargas eléctricas de los quarks
en un protón se corresponde exactamente con la de un electrón.
Los 6 tipos de quarks se caracterizan por la carga eléctrica, la masa,
el sabor y el espín.
- La carga eléctrica es una fracción de la carga eléctrica de un electrón[D20] , que
se considera unitaria.
- Las generaciones se establecieron de acuerdo a la magnitud de la masa.
- Los quarks tienen espín +½ ó -½, por lo que se clasifican dentro de la
familia de los fermiones.
La noción[D21] de la masa de un quark es una construcción
teórica que tiene sentido sólo cuando se especifica exactamente qué se usará
para definirla. La masa del quark t es puede ser medida directamente de los
productos desintegrados
resultantes en el Tevatrón, que es el único acelerador de partículas con la
suficiente energía para producir quarks t en abundancia.
El sabor de un quark se relaciona con el hecho de que los quarks pueden
cambiar de tipo, debido a la interacción débil. A este cambio, se le denomina
sabor. El bosón W y el bosón Z son los que permiten el cambio de sabor en los
quarks; estos bosones son los causantes de la interacción débil. Cada quark
tiene un sabor diferente que interactúa con los bosones de una manera única. El
sabor de los quarks u y d es el isospín[D22] débil.
El quark s, tendrá un número cuántico o sabor, homónimo, llamado strange y
tiene el valor de -1. Para el quark c el sabor es encantado y tiene el valor de
1.
El color de un quark no tiene nada
que ver con la percepción de la frecuencia de la luz; el color es la carga
envuelta en la teoría de gauge, más conocida como cromodinámica cuántica. Los quarks, al ser fermiones, deben seguir
el “principio de exclusión de Pauli”. Este principio implica que los tres
quarks de un barión deben estar en una combinación antisimétrica. Esto implica
que existe otro número cuántico interno. A esta propiedad, o número cuántico,
se le denominó color. Los quarks tienen tres colores, análogo con los tres
colores fundamentales rojo, verde y azul.
Por todo esto se suele decir que existen 18 tipos de quarks, 6 por sabor
y cada uno con 3 colores.
Una lista de estas propiedades
para cada quark sería:
|
Nombre
|
Familia
|
Masa
|
Sabor
|
Carga
|
Espín
|
|
Arriba(up)u
|
1ª
|
1,5 –
4,0
|
1z+1/2
|
+2/3
|
+1/2
|
|
Abajo(down)d
|
1ª
|
4 – 8
|
1z-1/2
|
-1/3
|
-1/2
|
|
Extraño(strange)s
|
2ª
|
80 –
130
|
-1
|
-1/3
|
-1/2
|
|
Encantado(charm)c
|
2ª
|
1.150
– 1.350
|
1
|
+2/3
|
+1/2
|
|
Fondo(bottom)b
|
3ª
|
4.100
– 4.400
|
-1
|
-1/3
|
+1/2
|
|
Cima(top)t
|
3a
|
170 -
900
|
1
|
+2/3
|
+1/2
|
Junto a los leptones[D23] , los
quarks forman prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. En
concreto la constituyen los quarks up y quarks down ya que forman los protones
y neutrones los cuales, a su vez, forman los núcleos atómicos.
El modelo atómico[D24] de Rutherford establecía que el átomo no
es indivisible, sino que consta de un núcleo central con carga eléctrica
positiva y de una nube de electrones que giran a su alrededor. El núcleo atómico está formado por protones
y neutrones. Estas 3 partículas elementales (protones, neutrones y electrones)
pasaron a 4, cuando en la década de 1930 aparecieron, de forma indirecta, los
neutrinos.
A mediados de la década de 1960 había un cierto consenso en que el
protón poseía un tamaño aproximado de 10–15 m con una distribución suave de
carga eléctrica positiva en su interior.
Entre 1967 y 1973, se realizaron una serie de experimentos, en el
acelerador lineal de partículas de Stanford (SLAC), con el objetivo de estudiar
la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón. En
el SLAC, las partículas aceleradas pueden alcanzar energías de hasta 50 GeV,
suficiente para que puedan traspasar nucleones (protones y neutrones).
El análisis teórico de las colisiones
inelásticas consideran varias hipótesis para explicar la función de forma de la
dispersión resultante de las colisiones. Una de ellas, es considerar que un protón está compuesto por partículas
puntuales cargadas y con espín 1/2. Al
analizar los datos experimentales, se comprobó que tal hipótesis era la adecuada. Este descubrimiento les mereció el premio
Nobel de Física de 1990 a Taylor, Kendall y Friedmann, líderes de los
experimentos en el SLAC.
PRÓTIDOS: Los prótidos o proteínas[D25] son principios inmediatos orgánicos
formados por carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. A veces en los prótidos
aparecen pequeñas cantidades de otros elementos, como el azufre (S), el fósforo
(P), el hierro (Fe), el cobre (Cu) y el magnesio (Mg). Los prótidos están
formados por la unión de moléculas llamadas aminoácidos.
En la materia viva, los prótidos poseen gran número de funciones:
estructurales, en las membranas celulares, uñas, cabello, etc.; contráctiles,
en las células musculares; transportadoras, como la hemoglobina de la sangre;
bioquímicas, como las enzimas, hormonas y algunas vitaminas; etc.
NEUTRINOS[D26] : Los neutrinos son partículas muy, muy
pequeñas, como los electrones, que se mueven casi a la velocidad
de la luz, y no interaccionan casi con nada en el universo. De
hecho, si no se las necesitase para explicar la desintegración
del neutrón, podríamos prescindir de ellas. Pero tienen que
existir.
Los protones[D27] son,
esencialmente, la materia. Son pesados, no se desintegran nunca, son lo que da estabilidad
al universo. Pero tienen carga eléctrica, arbitrariamente
denominada positiva. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen entre sí,
de manera que si no hubiese otras cosas, el universo serían sólo protones y
electrones, ya que los protones no podrían unirse en núcleos mas pesados que el
del hidrógeno[D28] .
Pero
tenemos electrones, y
tienen carga negativa. Las cargas negativas se atraen con
las positivas de manera que pueden unirse, y formar una partícula neutra, el
neutrón. (Ésta es la explicación sencilla. Se
complica con la idea de quarks, y cosas de este estilo, pero con la explicación
sencilla nos podemos hacer una idea muy clara de lo que pasa a nivel nuclear).
El neutrón se intercala entre los protones, limitando sus repulsiones, y a su
vez actúa como un pegamento con ellos. Así podemos tener núcleos
estables, al menos de no más de 92 protones.
Dentro de
los núcleos los neutrones son estables, pero aislados se desintegran en unos
8-10 minutos, y se desintegran en un protón y un electrón.
Ahora bien, la suma de las masas del electrón y el protón resultante y sus
energías cinéticas no es igual a la masa del neutrón. Como ni la masa ni la
energía pueden desaparecer en el universo, tiene que haber algo más que sale
del neutrón cuando éste se desintegra. Ese algo más es el neutrino,
que representa la energía sobrante. De hecho se necesita para que se conserve
no solo la energía del neutrón, sino su cantidad de movimiento y su momento
angular, su ''cantidad de giro''.
CASI TAN VELOCES COMO LA LUZ. Los neutrinos[D29] se mueven muy deprisa. Tan deprisa que su
velocidad se acerca a la de la luz pero no la alcanza. Ya que ningún cuerpo con
masa puede moverse a la velocidad de la luz, esto es una indicación de que
tienen masa. Por otro lado, para
explicar una serie de reacciones de partículas elementales, se precisan varias
(tres) clases de neutrinos y sus antis (antineutrinos), y experimentalmente se
detecta (con mucha dificultad, pero se detecta) que los neutrinos oscilan de
una clase a otra. Esto solo es posible si los neutrinos tienen masa. Es lo que descubrieron los dos ganadores del premio Nobel
de física de 2015 (de hecho lo descubrieron equipos de muchísimas personas
bajo esos dos jefes, que son los que se llevan el premio). El descubrimiento es
muy reciente, de 1998.
La importancia
de que los
neutrinos[D30] tengan masa es tremenda, pues neutrinos con masa no caben
en el modelo estándar de partículas que es hoy la Biblia de la física teórica.
Para incorporar la masa de los neutrinos a un modelo de partículas se precisa
algo distinto del modelo estándar. Y va siendo hora de hacerlo, puesese modelo es ya un tanto
anticuado. Explica
muchas cosas, pero es un modelo con entre 14 a 20 parámetros arbitrarios, y un
modelo con tal número de parámetros arbitrarios es muy mala ciencia.
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