La física de partículas es el campo de estudio que busca comprender las partículas fundamentales y las fuerzas que gobiernan su comportamiento en el universo. En este viaje hacia lo más básico de la materia, el Modelo Estándar ha emergido como un marco teórico sólido que describe con precisión las interacciones entre las partículas elementales. Este modelo es una joya intelectual que ha resistido la prueba del tiempo y ha proporcionado un mapa inestimable para explorar el universo subatómico.
El Modelo Estándar
El Modelo Estándar identifica las partículas elementales que componen la materia y las fuerzas que actúan entre ellas. Las partículas se dividen en dos categorías fundamentales: fermiones y bosones. Los fermiones constituyen la materia y se dividen a su vez en quarks y leptones. Los quarks son los bloques con los que se construyen los protones y neutrones, mientras que los leptones, como los electrones, son elementales en sí mismos, no está compuestos por nada más pequeño.
Por otro lado, los bosones son las partículas portadoras de las fuerzas. El fotón, por ejemplo, es el mensajero de la fuerza electromagnética, mientras que los bosones W y Z son responsables de las interacciones débiles. El gluón, por otro lado, mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones mediante la fuerza fuerte.
La descripción cuántica de la fuerza electromagnética es conocida como la Electrodinámica Cuántica (QED). Esta teoría explica cómo las partículas cargadas, como electrones y protones, experimentan las interacciones electromagnéticas. Por su parte, la Cromodinámica Cuántica (QCD), otra pieza crucial del rompecabezas, explica qué es lo que mantiene unidos a los quarks. En este caso, en lugar de fotones, la QCD introduce una nueva partícula, los gluones, que transmiten la interacción fuerte entre los quarks y da lugar a la formación de protones y neutrones.
El Modelo Estándar también abarca la interacción débil, responsable de procesos como la desintegración beta en núcleos radiactivos. Los bosones W y Z son mediadores de esta fuerza. Su descubrimiento experimental en 1983 fue una confirmación crucial del modelo. Finalmente, el último ladrillo del Modelo Estándar fue puesto en 2012, cuando en el Gran Colisionador de Hadrones se descubrió la última partícula que faltaba en el complicado entramado teórico que describe el mundo subatómico: el bosón de Higgs, la partícula portadora del campo de Higgs, que permea todo el espacio y otorga masa a las partículas elementales. La interacción de las partículas con este campo es lo que da origen a la masa observada en el universo.
¿Qué hay más allá de los quarks?
Aunque el modelo estándar explica perfectamente cómo está hecho el universo a las escalas en que se maneja, también tiene sus lagunas. Una de ellas es, por ejemplo, que nadie sabe por qué sólo hay tres familias de quarks y tres de leptones, y no 4 o 12 o 20.
Ahora bien, ¿hay algo detrás del modelo estándar? ¿Son los quarks los ladrillos del universo o están hechos de cosas más pequeñas? Eso no se sabe. Hay varias ideas, pero todavía no podemos decantarnos por ninguna. Lo que sí tenemos claro es que el modelo estándar, en el rango que alcanzan nuestros aceleradores, es esencialmente correcto. No se sabe qué hay detrás de los quarks pero se puede escuchar a los físicos teóricos hablar de cuerdas o supersimetría. Ir más allá del modelo estándar es uno de los retos más importantes de la física de lo muy pequeño.
Las cuerdas, ¿una teoría de todo?
La teoría de cuerdas nace a finales de la década de 1960 de manos del italiano Gabriele Veneziano como intento de explicación de la interacción fuerte, la fuerza que mantiene unidos los quarks dentro de protones y neutrones. Entre 1984 y 1985 se descubre que la olvidada propuesta de Veneziano es una teoría consistente para describir las cuatro fuerzas de la naturaleza –la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil– como producto de unos objetos unidimensionales, las cuerdas.
A finales del siglo XX los físicos teóricos estaban (casi) convencidos de que estaban ante una teoría que describía la estructura última de la materia. Querer imaginar las cuerdas es como querer imaginar un punto matemático; es imposible. Además son inimaginablemente pequeñas. Por hacernos una vaga idea. La Tierra es diez a la veinte veces más pequeña que el universo, y el núcleo atómico es diez a la veinte veces más pequeño que la Tierra. Pues bien, una cuerda es diez elevado a la veinte veces más pequeña que el núcleo atómico.
Así nació el mito de una Teoría de Todo. Aunque más bien habría que hablar teorías, pues entonces había cinco en funcionamiento con formulaciones diferentes. En 1995 se demostró que esas cinco teorías no eran más que diferentes aspectos de una única, bautizada como Teoría M. Es como un puzzle del que se tienen cinco piezas, no se sabe dónde están las otras ni cuál es el aspecto completo del mismo. Eso sí, no te agobies si no eres capaz de imaginarlo, ni tan siquiera si no puedes comprenderlo. A los físicos teóricos también les pasa lo mismo.
La física de hoy no es tan sencilla como la de antaño. No sólo porque la descripción matemática de los fenómenos naturales se haya vuelto más complicada; también porque resulta cada vez más difícil de imaginar. Esto es debido a que cada vez nos vamos alejando más y más de los objetos de nuestra experiencia cotidiana. Por ejemplo, nuestra vieja amiga la gravedad, o la fuerza electromagnética, o las más desconocidas fuerzas nuclear fuerte y débil, han dejado de ser fuerzas para convertirse en campos. La gravedad deja de ser una fuerza que tira de ti. Esa cosa fantasmal que hace caer una piedra pasa a convertirse en algo mucho más abstracto: un campo, una modificación de la estructura del espacio que nos rodea. Como nosotros nos movemos dentro de ese espacio, su estructura, su forma, nos influye y nos obliga a actuar de cierta manera. Por eso caen las piedras: porque seguimos la forma del espacio.
Imaginarse las cuerdas
Si llegados a este punto de abstracción la cabeza empieza a darnos vueltas, peor lo pasaremos con el siguiente nivel de abstracción. En este segundo piso de lo que podrían ser los grandes almacenes de la física teórica, el objeto de estudio son unas cosas llamadas grupos de simetría mediante los cuales se relacionan esos campos –antes fuerzas– y las partículas. En el tercer piso se encuentra la planta donde los grupos de simetría se interpretan como estados de un espacio, no de tres ni de cuatro ni de cinco dimensiones, sino de diez dimensiones. Y en la cuarta, el culmen del nivel de abstracción matemática, se encuentra el mundo donde viven las cuerdas. Estos objetos se definen a través de su comportamiento esos estados que provocan la aparición de los grupos de simetría que a su vez relacionan las fuerzas con la materia, y que a su vez explican el comportamiento de las partículas subatómicas y los átomos. Por este motivo, decir que una cuerda es una curva ondulante que se mueve en un espacio de diez.
Las cuerdas, dicen los teóricos, son los objetos fundamentales del universo; no son puntuales sino alargados y sin grosor: sólo tienen una dimensión. Las partículas subatómicas que observamos en la naturaleza son modos de vibración de esas cuerdas, como las notas musicales lo son de las cuerdas de una guitarra. Todas las fuerzas de la naturaleza se pueden entender como interacciones entre cuerdas. ¿Cómo imaginarlas? La mejor descripción la dio Freeman Dyson: un cordel de esparto culebreando en una habitación a oscuras.
