Sobre la estructura del Modelo Estándar (I): Partículas y familias

Los fermiones del Modelo Estándar se clasifican en tres familias, con propiedades idénticas. ¿Por qué es esto así? Esta cuestión sigue sin respuesta hoy en día y constituye uno de los mayores misterios en la física de partículas actual.

Por alguna razón la Naturaleza parece replicar sus componentes más fundamentales. Por alguna razón la Naturaleza parece replicar sus componentes más fundamentales. Por alguna razón la Naturaleza parece replicar sus componentes más fundamentales. Resulta extraño, ¿verdad?

Todo empezó durante los años 30, cuando Carl D. Anderson descubre el positrón. El positrón había sido predicho, años antes, por Paul Dirac. La predicción y posterior descubrimiento del positrón fueron todo un hito en la física, ya que supuso el descubrimiento de la antimateria y el establecimiento de la teoría de Dirac como paradigma de la física cuántica relativista. Es un ejemplo de ideal de funcionamiento del método científico: una nueva teoría capaz de explicar los fenómenos conocidos nos ofrece una predicción característica (la existencia de antimateria, entre otros) que, pocos años después, ¡se encuentra en un laboratorio! Este increíble hecho les valió a Dirac y Anderson ser merecedores del Premio Nobel de física en los años 1933 (junto a Erwin Schrödinger) y 1936 (junto a Victor Franz Hess), respectivamente.

Con este descubrimiento y junto al recientemente descubierto neutrón (James Chadwick, 1932), los físicos creían dominar casi a la perfección la física de partículas. Motivados por el descubrimiento del positrón, la existencia de antimateria se había demostrado y tan solo faltaban dos piezas para completar la física: el antiprotón (también predicho por Dirac) y el antineutrón.

Inspirados por el descubrimiento de los rayos cósmicos (Victor Franz Hess, 1912), algunos físicos empezaron a buscar nuevas partículas en el cielo. Entre ellos, de nuevo Anderson junto a su estudiante Seth H. Neddermeyer buscaron en las cascadas producidas cuando un rayo cósmico (¡cuyo origen y composición aún se desconocía!) colisiona con las partículas de la atmósfera. El método de detección, increíblemente útil y barato, se basaba en las recientemente diseñadas cámaras de niebla. Cuando una partícula cargada atraviesa la cámara produce una perturbación que ioniza el vapor de alcohol que contiene creando, a su paso, una traza de condensación fácilmente observable.

Cascada de partículas producida por la interacción de un rayo cósmico con la atmósfera. Fuente: http://physicsopenlab.org

En 1936, Anderson y Neddermeyer usaron un campo magnético junto a su cámara de niebla para medir el observable e/m (cociente entre la carga eléctrica y la masa de la partícula) de las partículas producidas en las cascadas. Sorprendentemente, encontraron una partícula con un cociente e/m mayor que en el caso de un protón pero considerablemente menor que para los electrones. Además, observando la ionización que producían estas partículas en una placa de plomo concluyeron que tenían la misma carga que los electrones. Sin duda, todo apuntaba a la existencia de una nueva partícula. Debido a su masa (alrededor de una octava parte de un protón) Anderson y Neddermeyer sugirieron que se trataba de unas partículas predichas, en 1935, por el físico japonés Hideki Yukawa. No obstante, un escrupuloso estudio de las interacciones de estas nuevas partículas mostró que no sufrían la interacción fuerte y, por tanto, se trataba de una nueva partícula parecida al electrón pero más pesada, el muón.

En una cámara de niebla podemos observar la trayectoria de las partículas que la atraviesan

Un descubrimiento de este tipo, una nueva partícula fundamental, es el sueño de todo físico de partículas actualmente. En aquella época, no obstante, fue recibido con una mezcla de entusiasmo y recelo. No es para menos, en lugar de afianzar y completar nuestro conocimiento sobre el zoo de las partículas elementales, este descubrimiento nos mostraba la realidad: la naturaleza replica sus componentes más fundamentales.

¿Que significa replicar en este contexto? Analizando el muón, los físicos se dieron cuenta que salvo por su masa mucho mayor (alrededor de 200 veces mayor), el resto de sus propiedades son análogas a las de los electrones. El mismo Isidor I. Rabi (Premio Nobel en 1944) dijo, al enterarse del descubrimiento del muón, “Who ordered that?” mostrando la confusión que esta nueva partícula producía en la comunidad física, que creía estar a punto de controlar por completo la física de partículas.

Sucesivos descubrimientos, durante las décadas de los 50 a los 70 (incluyendo decenas de nuevos hadrones, que posteriormente serían explicados por el modelo de quarks de Murray Gell-Mann y George Zweig) culminaron con el descubrimiento de las últimas piezas del puzzle, el quark top y el neutrino tau, en 1995 y 2000, respectivamente. Junto con el bosón de Higgs, descubierto en 2012, estas últimas piezas completan el Modelo Estándar de física de partículas, nuestra teoría más fundamental.

El Modelo Estándar contiene todos los fermiones elementales conocidos divididos en quarks y leptones, en función de si experimentan o no la interacción fuerte. Aunque nuestra teoría fundamental merece una entrada por sí misma, lo que queremos resaltar aquí es su clara estructura en familias (o generaciones). Por un lado tenemos la primera familia, la más ligera, que contiene los quarks up (u) y down (d) junto con los leptones: electron (e) y neutrino electrónico (νe). Misteriosamente, como hemos dicho, la Naturaleza replica este patrón. Así, tenemos una segunda y una tercera familia con masas mucho mayores.

Estructura de familias (generaciones) del Modelo Estándar. Fuente: sureshemre.wordpress.com

Hay que destacar que el mundo al que estamos acostumbrados, todo aquello cotidiano, está compuesto únicamente por partículas de la primera familia: los átomos que forman nuestras moléculas tienen protones, neutrones y electrones, que se forman con quarks u, quarks d y electrones. Además sabemos, gracias a multitud de experimentos, que las partículas formadas por quarks (hadrones) de la segunda y tercera familia, y los leptones correspondientes a estas familias son inestables y se desintegran de forma rápida en fermiones de la primera familia. Resulta, por tanto, caprichosa esta aparente replicación.

Aunque hace más de 80 años desde el descubrimiento de la replicación de la materia y casi 20 del afianzamiento de la marcada estructura en familias del Modelo Estándar, su origen sigue siendo un misterio. En la actualidad esta estructura es un problema abierto que, por su dificultad y por nuestro desconocimiento de los componentes más íntimos de la Naturaleza, merece mayor atención teórica y experimental. Para terminar, estoy seguro de que si Rabi hubiese sabido de esta marcada estructura habría cambiado el famoso “Who ordered that?” por un “Why does Nature repeat itself?”.

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Autor: Mario Reig López

Mario Reig es estudiante de doctorado en el IFIC, donde estudia temas relacionados con el origen de la masa de los neutrinos y las teorías de gran unificación.

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