Partículas elementales, partículas compuestas y partículas virtuales

Fotones, electrones, quarks, neutrinos y el bosón de Higgs. Si compartiéramos en un bar una cerveza con nuestros amigos y por un motivo u otro se hablara de física, las probabilidades de que la conversación decayera del lado de la física de partículas no serían despreciables. Dado el caso, al menos una de estas partículas elementales (o fundamentales) sería mencionada con casi total seguridad. Pero si alguien se atreviera a lanzar una pregunta tan inocente como ¿qué son las partículas elementales? y esta pregunta llegara a los oídos de un físico, descubriríamos que la respuesta encierra más complejidad de lo esperado.

La palabra partícula nos indica que son entidades pequeñas, y como bien sabemos, casi todas las cosas complejas están formadas a partir de otras más simples, por lo que es fácil adivinar que las partículas pueden asociarse para formar estructuras más complejas. Es más, el término elemental hace referencia a que la partícula en cuestión no tiene estructura interna, siendo por lo tanto una de las piezas fundamentales, básicas, que dan forma a los objetos que vagan por el universo.

Pero no hace falta que una partícula sea elemental para poder ser estudiada como un ente individual, con la suficiente solidez e importancia como para tener un nombre propio. Por ejemplo, los protones y los neutrones, piezas fundamentales para explicar la composición de los núcleos atómicos, son en realidad una composición de quarks y gluones, las verdaderas partículas elementales que los conforman. Pero nadie describe el núcleo de helio en términos de sus piezas elementales, sino como un conjunto de dos protones y, habitualmente, uno o dos neutrones. Del mismo modo, una molécula de agua es descrita a partir de sus átomos (dos de hidrógeno y uno de oxígeno) y no de los nucleones presentes en ella. Sin embargo hay algo común, algo que no debe faltar en un objeto para que, desde un punto de vista físico, pueda ser considerado una partícula, y ese algo es ni más ni menos que un tiempo de vida mínimo. Los distintos elementos químicos que pueblan la tabla periódica, así como los protones y neutrones, tienen una vida media que varía en muchos órdenes de magnitud, desde unas décimas de microsegundo en núcleos como el del polonio-212 hasta varios miles de años como ocurre con el carbono-14. ¡La vida media de algunos elementos llega hasta a superar con creces la edad total del Universo!

¿Y la vida media de las partículas fundamentales? ¿Son todas estables, como el electrón o los fotones, o se transforman al pasar el tiempo? La respuesta puede sorprender a algunos; en su mayoría las partículas elementales viven muy poco. El leptón tau, por ejemplo, tiene una vida media de apenas unas centenas de femtosegundos (10-15 s = 0.000000000000001 s). Un tipo de quark conocido como quark top (quark cima en español) ni siquiera tiene tiempo suficiente para reunirse con otros quarks y dar lugar a las partículas que estas diminutas piezas componen, como es el caso de los protones. Teniendo en cuenta que los quarks no pueden sobrevivir aislados, viéndose obligados a estar siempre en agrupaciones de al menos un par quark-antiquark, esta es una cualidad bastante extraña para uno de estos componentes. ¿Cuándo, entonces, deja de tener sentido llamar a una de estas diminutas entidades partícula?

La respuesta nos la da uno de los pilares de la física cuántica: el principio de indeterminación de Heisenberg, según el cual la relación existente entre ciertas parejas de magnitudes físicas, como la velocidad y la posición de una partícula, nos impide conocer con infinita exactitud ambas cantidades de manera simultánea. Si tenemos en cuenta que una de esas parejas está formada por la energía y el tiempo, el principio de indeterminación permite ciertas fluctuaciones en la energía de un sistema físico siempre que éstas no se prolonguen por un tiempo demasiado largo. Cuanto menor sea el intervalo temporal en el que ocurra, mayor podrá ser la energía involucrada en una posible fluctuación. Recordando que una partícula no es más que una cierta acumulación de energía muy localizada en un breve instante temporal, nos damos cuenta de que para determinar la presencia de una partícula real en un proceso físico concreto, ésta debe participar en dicho proceso durante un tiempo suficiente para que no pueda confundirse con una simple fluctuación cuántica.

Más allá de la posible confusión, estas fluctuaciones son muy importantes en algunos procesos donde se requiere la presencia de ciertas partículas fundamentales pero no se dispone de la energía suficiente para producirlas. El principio de indeterminación les permite exhibirse de manera virtual, es decir, durante un brevísimo instante de tiempo, gracias a una fluctuación cuántica. Cuanto más pesada sea la partícula mayor energía requerirá su presencia y, por lo tanto, podrá manifestarse durante menos tiempo al margen de la ley. Cuando esto ocurre la partícula no surge realmente, sino que deja entrever un fantasma de sí misma, permitiendo que el proceso físico tenga lugar pero sin llegar a afectar a las restricciones impuestas sobre el sistema por las leyes físicas. Una partícula que aparece y desaparece de una manera tan clandestina se dice que es virtual, pues ninguna partícula real tendría permitida tal intervención. Así pues, el principio de incertidumbre concede a los quebrantadores de las leyes físicas un cierto margen de actuación que sería impensable en un mundo completamente clásico.

Se muestren como se muestren, de manera real o virtual, las partículas elementales se encargan de la consistencia y cohesión de todos los objetos materiales, desde la vida en la Tierra hasta las estrellas en las galaxias. Es sorprendente cómo entidades tan pequeñas y concretas pueden generar estructuras tan complejas a lo largo y ancho del Universo.

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Autor: Pablo Fernández de Salas

P. F. de Salas disfruta actualmente de un contrato predoctoral FPU en el IFIC (Valencia), donde estudia principalmente física de neutrinos y cosmología. Llegó a Valencia tras haberse licenciado en física por la Universidad de Sevilla.

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