LA RECETA COSMICA

La receta cósmica

Alberto Güijosa

¿De qué está hecho el Universo? Al tratar de responder esta pregunta nos hemos llevado ya grandes sorpresas, y podemos esperar muchas más.

Para preparar un tipo de pan específico se necesitan siempre los mismos ingredientes básicos, combinados de la misma manera. Éste es un ejemplo de las muchas relaciones predecibles que encontramos a nuestro alrededor: el Universo, en todos sus niveles, está repleto de patrones que se repiten. Durante siglos los seres humanos hemos buscado comprender estos patrones, y como resultado, hemos logrado vislumbrar la receta para hornear no solamente un pan, ¡sino el Universo entero!

Ladrillos básicos

Si tomas un objeto cualquiera y lo miras con un microscopio suficientemente potente, verás que está hecho de bloques muy pequeños, que llamamos átomos. Cada átomo está formado a su vez por un núcleo y electrones que se mueven a su alrededor. El núcleo está compuesto de protones y neutrones. Y hace 40 años descubrimos un paso más en este juego de muñecas rusas que nos presenta la naturaleza: dentro de los neutrones y protones hay componentes todavía más pequeños, que llamamos quarks. Se trata, de hecho, de dos tipos de objetos distintos que, por pura diversión, bautizamos como quarks arriba y quarksabajo.

Hasta donde sabemos, los quarks arriba, los quarks abajo y los electrones no están compuestos de partes más pequeñas. Por eso decimos que son partículas elementales ofundamentales (como también lo son otros bichos más exóticos que mencionaremos más adelante). No pierdas de vista lo sorprendente que es esto: todos los objetos en el Universo —papel, vidrio, agua, mármol, mariposas, tornillos, aguacates, aire, estrellas, personas, chongos zamoranos y billones más— están hechos de combinaciones de los mismos tres componentes básicos. La diferencia entre un objeto y otro no es la naturaleza de sus ingredientes fundamentales, sino la manera en que están ensamblados, o, en una analogía más adecuada, la danza colectiva que ejecutan.

Choques fantásticos

Las partículas elementales son increíblemente diminutas. Paradójicamente, para estudiarlas necesitamos las máquinas más gigantescas que ha construido la humanidad: los llamados aceleradores de partículas. El más grande y potente de todos es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) ubicado en la frontera entre Francia y Suiza (ver “El Gran Colisionador de Hadrones”, ¿Cómo ves?, No. 114). En estas máquinas aceleramos partículas (normalmente electrones o protones) utilizando poderosas fuerzas eléctricas y magnéticas hasta que alcanzan velocidades muy cercanas a la de la luz (casi 300 000 kilómetros por segundo), y luego las arrojamos unas contra otras, esperando que choquen, justo como los niños hacen chocar cochecitos para ver qué sucede.

Utilizando sofisticados detectores podemos analizar los resultados de cada choque. Lo que encontramos son decenas de partículas de distintos tipos que se alejan del punto de impacto. Parecería que hemos logrado partir las partículas originales en pedacitos, tal como si fueran cochecitos que al estrellarse se hacen añicos. Pero entre los productos finales de algunas colisiones podemos encontrar muchas partículas idénticas a las dos originales, algo imposible de explicar pensando en cochecitos que se rompen. Por ésta y otras razones, nos vemos obligados a concluir que las partículas finales que observamos en nuestros detectores fueron creadas al momento de la colisión y no existían antes de ella. Sí, leíste bien: ¡los ladrillos básicos del Universo pueden aparecer y desaparecer!

Particulititititititititas

Los átomos miden alrededor de una diezmillonésima de milímetro. Esto significa que, en el grosor de una hoja de papel, caben alrededor de un millón de átomos. La proporción de tamaños dentro del átomo es también muy curiosa: si el átomo fuera del tamaño del estadio Azteca, el núcleo sería del tamaño de un limón y los electrones serían menos que motas de polvo flotando a su alrededor. Los átomos son entonces casi puro espacio vacío, así que no te ofendas la próxima vez que te digan cabeza hueca. Hasta ahora no hemos detectado que los electrones y quarks tengan un tamaño medible, por lo que deben ser más chicos que las distancias más pequeñas que hemos explorado: miden menos de una milbillonésima de milímetro. En otras palabras, aún si los átomos fueran del tamaño de la Tierra, ¡las partículas fundamentales serían, a lo más, tan grandes como una manzana!

Magia bajo contrato

Para descifrar la receta cósmica se requieren ideas muy extrañas, que van perversamente en contra del sentido común (ver “El Gato de Schrödinger”, ¿Cómo ves?, No. 8). Por ejemplo, una partícula puede estar, como una canica, en un lugar específico; pero en cierto sentido, ¡también puede estar en varios sitios a la vez!

sto, que parece absurdo, resulta crucial para entender por qué la materia, hecha de átomos que son principalmente espacio vacío, nos parece sólida: los minúsculos electrones son capaces de ocupar todo el volumen del átomo del que forman parte.

Si bien las partículas pueden realizar estos espectaculares actos de magia, no lo hacen completamente a su antojo. Las criaturas del fantástico circo microscópico siempre trabajan sujetas a un contrato: se les permite aparecer, desaparecer y hacer algunos otros trucos asombrosos, pero a condición de que cumplan con ciertas reglas mínimas de decencia. Deben, por ejemplo, asegurarse de que la cantidad total de energía no cambie. Por eso en nuestras máquinas aceleramos las partículas iniciales tanto como podemos, para que la enorme energía de movimiento que alcanzan quede disponible para crear partículas (que por el sólo hecho de tener masa poseen energía, como revela la famosa fórmula de Einstein, E=mc2). El contrato incluye otras cláusulas similares. Por ejemplo, cada partícula tiene asignado un número llamado carga eléctrica, que nos dice qué tanto siente las fuerzas eléctricas, y en cualquier proceso la suma de las cargas eléctricas de todas las partículas debe permanecer constante. Felizmente, la existencia del contrato te permite leer este artículo sin preocuparte de que los electrones y quarks que forman tu cuerpo vayan a desaparecer repentinamente, ya que no podrían hacerlo sin violar alguna de las cláusulas.

Más ladrillos básicos

En nuestros experimentos hemos descubierto que existen otras partículas elementales más exóticas, que sí tienen permitido desaparecer

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