Partículas subatómicas: el mapa completo de la materia

¿Qué son las partículas subatómicas?

Una partícula subatómica es cualquier constituyente de la materia más pequeño que un átomo. El átomo tiene un núcleo diminuto y muy denso -formado por protones y neutrones- rodeado por una nube de electrones. Si seguimos dividiendo, descubrimos que protones y neutrones no son indivisibles: están hechos de quarks. Los electrones, en cambio, se comportan como partículas puntuales: ningún experimento les ha encontrado hasta ahora estructura interna.

Por eso el mundo subatómico se organiza en dos grandes familias. Las **partículas compuestas** están formadas por otras partículas más pequeñas unidas por fuerzas; el protón y el neutrón son los ejemplos cotidianos. Las **partículas elementales** no tienen partes conocidas: son, hasta donde alcanza la física actual, los ladrillos últimos del universo. El marco teórico que las describe se llama modelo estándar, y sus predicciones figuran entre las mejor comprobadas de toda la física.

Para hacernos una idea de la escala, el radio de un protón es del orden de 10⁻¹⁵ metros, es decir, una milésima de billonésima de metro. Un átomo mide unos 10⁻¹⁰ metros, así que el protón es unas cien mil veces más pequeño que el átomo que ayuda a formar. A esas dimensiones la intuición cotidiana deja de servir y quien manda es la mecánica cuántica: las partículas no son bolitas con una trayectoria definida, sino entidades descritas por probabilidades y con propiedades discretas como la carga o el espín.

Breve historia: del electrón al bosón de Higgs

El terreno se preparó en 1896, cuando Henri Becquerel descubrió que las sales de uranio emitían una radiación penetrante. Marie y Pierre Curie ampliaron el hallazgo, acuñaron el término «radiactividad» e identificaron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, en 1898. Aquellas emisiones eran la primera señal de que dentro del átomo pasaba algo. Un año antes, en 1897, el físico británico J. J. Thomson había demostrado en el Laboratorio Cavendish de Cambridge que los rayos catódicos eran chorros de partículas con carga negativa y una relación carga/masa muy superior a la de cualquier ion conocido: había descubierto el electrón, la primera partícula subatómica identificada.

Ernest Rutherford dio el paso siguiente. Los experimentos de dispersión de partículas alfa realizados por Geiger y Marsden lo llevaron a proponer en 1911 el modelo del átomo nuclear: casi toda la masa concentrada en un núcleo minúsculo. Entre 1917 y 1919 logró además la primera transmutación nuclear artificial y detectó núcleos de hidrógeno expulsados del nitrógeno; hacia 1920 esa partícula recibió el nombre de protón. El neutrón tardó más: James Chadwick lo identificó en 1932, de nuevo en el Cavendish, y recibió el Nobel en 1935.

Ese mismo 1932, Carl Anderson halló en la radiación cósmica el positrón, la primera prueba experimental de antimateria, y hacia 1936-1937, junto con Seth Neddermeyer, identificó el muón. Mientras tanto, Wolfgang Pauli había postulado en 1930 una partícula neutra y casi indetectable para salvar la conservación de la energía en la desintegración beta; Enrico Fermi la bautizó como neutrino y no se detectó de forma directa hasta 1956, en el experimento de Clyde Cowan y Frederick Reines.

Entre los años cincuenta y sesenta, los aceleradores y los rayos cósmicos sacaron a la luz un desconcertante «zoo de partículas» con más de un centenar de miembros. El orden llegó en 1964, cuando Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron de forma independiente los quarks. El modelo estándar se consolidó en los años setenta, se reforzó con el descubrimiento de los bosones W y Z en el CERN en 1983 y con el del quark cima en Fermilab en 1995. El último gran hito llegó el 4 de julio de 2012, cuando los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones anunciaron una nueva partícula de unos 125 GeV/c² compatible con el bosón de Higgs; Peter Higgs y François Englert recibieron el Nobel de Física en 2013.

Partículas elementales: quarks, leptones y bosones

Contadas de la forma habitual, el modelo estándar describe diecisiete tipos de partículas elementales. Doce son fermiones de materia: seis quarks y seis leptones. Los quarks -arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo- tienen carga eléctrica fraccionaria y una propiedad llamada carga de color que los obliga a agruparse: nunca se han observado aislados, un fenómeno conocido como confinamiento. Los leptones incluyen el electrón, el muón y el tau, junto con sus tres neutrinos, eléctricamente neutros y de masa diminuta aunque no nula.

Ambos conjuntos se ordenan en tres «generaciones» de masa creciente. La materia ordinaria usa solo la primera -quarks arriba y abajo, más el electrón-; las otras dos son más pesadas e inestables y solo aparecen en colisiones de alta energía o en procesos cósmicos. Las cinco entradas restantes son bosones: el fotón, el gluón (que cuenta como un tipo aunque exista en ocho combinaciones de color), los bosones W y Z, y el bosón de Higgs.

Conviene precisar qué hace y qué no hace el Higgs. El campo de Higgs explica cómo adquieren masa las partículas elementales -de forma muy marcada los bosones W y Z, y también los quarks y los leptones cargados-, pero no explica la mayor parte de la masa de la materia cotidiana: alrededor del 99 % de la masa de un protón procede de la energía de la interacción fuerte entre sus quarks y gluones, no de la masa propia de esos quarks.

• Quarks - seis tipos, carga fraccionaria y carga de color; forman los hadrones.
• Leptones - electrón, muón, tau y sus tres neutrinos; no sienten la fuerza fuerte.
• Bosones - fotón, gluón, W, Z y Higgs; median las interacciones o generan masa.

Fermiones y bosones: la materia frente a las fuerzas

Más allá de su composición, todas las partículas se clasifican según una propiedad cuántica llamada espín. Los fermiones tienen espín semientero (½, por ejemplo) y obedecen el principio de exclusión de Pauli: dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Esa «insociabilidad» es la que da estructura, volumen y rigidez a la materia, y la que ordena los electrones en capas dentro del átomo. Quarks y leptones son fermiones.

Los bosones tienen espín entero (0, 1, 2…) y siguen la estadística de Bose-Einstein: pueden acumularse sin límite en un mismo estado cuántico, algo que explica fenómenos como el láser o los condensados de Bose-Einstein. Los bosones fundamentales son los mensajeros de las interacciones. También existen bosones compuestos: los mesones y ciertos núcleos atómicos, como el del helio-4, se comportan como bosones porque sus espines internos se suman a un valor entero.

Partículas compuestas: hadrones, bariones y mesones

Cuando los quarks se unen mediante la interacción nuclear fuerte forman los hadrones. Los bariones están compuestos por tres quarks: el protón es una combinación de dos quarks arriba y uno abajo (uud), y el neutrón, de dos abajo y uno arriba (udd). Los mesones, en cambio, son parejas de un quark y un antiquark; los piones y los kaones son los más conocidos. En las últimas dos décadas los experimentos han identificado además estados exóticos con cuatro y cinco quarks, que siguen bajo estudio.

Las cifras ayudan a situarnos. Un protón tiene una masa de unos 938 MeV/c² y el neutrón, de unos 940 MeV/c², mientras que el electrón apenas llega a 0,511 MeV/c²: el protón es unas 1.836 veces más pesado que el electrón. El protón parece estable -no se ha observado nunca su desintegración-, mientras que un neutrón libre se desintegra con una vida media de unos quince minutos. Y, como ya se ha dicho, casi toda la masa del protón no procede de sus quarks, muy ligeros, sino de la energía del intenso campo de gluones que los confina, tal como permite entender la equivalencia E = mc².

• Bariones - tres quarks (p. ej. protón uud, neutrón udd); son fermiones.
• Mesones - un quark y un antiquark (p. ej. piones, kaones); son bosones.

Las cuatro fuerzas fundamentales y sus portadores

Toda interacción conocida del universo se reduce a cuatro fuerzas. La interacción nuclear fuerte, transmitida por los gluones, une los quarks dentro de los protones y neutrones; su efecto residual es el que mantiene cohesionado el núcleo atómico. Es la más intensa de las cuatro, pero de alcance muy corto. El electromagnetismo, mediado por el fotón, actúa entre partículas con carga eléctrica, tiene alcance infinito y explica desde los enlaces químicos hasta la luz.

La fuerza nuclear débil, portada por los bosones W y Z, es la responsable de la desintegración beta -una de las formas de desintegración radiactiva- y hace posible el primer paso de la fusión que alimenta al Sol. La gravedad, por su parte, es con diferencia la más débil a escala de partículas y no está incluida en el modelo estándar: su hipotético mensajero, el gravitón, nunca se ha observado. Encajar la gravedad con las otras tres interacciones sigue siendo uno de los grandes problemas abiertos de la física teórica.

• Interacción nuclear fuerte - gluones; une quarks y nucleones; alcance ~10⁻¹⁵ m.
• Electromagnetismo - fotón; actúa sobre las cargas eléctricas; alcance infinito.
• Fuerza nuclear débil - bosones W y Z; causa la desintegración beta; alcance ~10⁻¹⁸ m.
• Gravedad - gravitón (hipotético); la más débil a escala subatómica; fuera del modelo estándar.

Antimateria: el reflejo especular de cada partícula

A cada partícula le corresponde una antipartícula con la misma masa y espín, pero con carga eléctrica y otros números cuánticos opuestos. El positrón es el antielectrón; el antiprotón, producido y detectado en 1955 en el acelerador Bevatron de Berkeley, es la contraparte del protón. Paul Dirac había abierto la puerta a la antimateria en 1928, cuando su ecuación relativista del electrón admitió soluciones de energía negativa que acabaron interpretándose como antipartículas. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran pueden aniquilarse y convertir su masa en energía, normalmente en forma de fotones.

Aunque suene exótica, la antimateria tiene un uso médico cotidiano: la tomografía por emisión de positrones (PET) inyecta un radiofármaco emisor de positrones y detecta los dos fotones de 511 keV que se producen al aniquilarse cada positrón con un electrón del tejido. Su mayor misterio, sin embargo, es cosmológico: los modelos más sencillos del Big Bang predicen cantidades iguales de materia y antimateria y, sin embargo, el universo observable está hecho casi por completo de materia. Se conocen mecanismos de violación de simetría que apuntan en la dirección correcta, pero no bastan para explicar el desequilibrio.

Cómo se estudian las partículas subatómicas

Las partículas subatómicas no se ven: se infieren. Durante décadas la herramienta reina fue la cámara de niebla y, después, la cámara de burbujas, donde una partícula cargada dejaba un rastro visible al atravesar un medio inestable. Hoy el trabajo lo hacen los aceleradores y los detectores electrónicos. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN, un anillo de unos 27 kilómetros de circunferencia, hace chocar haces de protones a energías de varios teraelectronvoltios; en cada colisión, parte de esa energía se materializa en partículas nuevas que los detectores reconstruyen a partir de sus trayectorias y sus productos de desintegración.

No todo pasa por los aceleradores. Los detectores de neutrinos se instalan bajo tierra, bajo hielo o bajo el mar para filtrar el ruido de los rayos cósmicos: instalaciones como Super-Kamiokande o IceCube vigilan enormes volúmenes de agua o hielo a la espera de las rarísimas interacciones de estas partículas. De ese trabajo salió uno de los resultados más importantes de las últimas décadas: la observación de que los neutrinos oscilan entre sus tres tipos, lo que implica que tienen masa, un hallazgo reconocido con el Nobel de Física de 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald.

Aplicaciones y preguntas abiertas de las partículas subatómicas

El conocimiento de las partículas subatómicas no es solo teórico. El control del electrón sostiene toda la electrónica y los semiconductores; el comportamiento de protones y neutrones explica la energía nuclear y la datación por radiocarbono, basada en la desintegración del carbono-14; los positrones hacen posible el diagnóstico por PET, y la terapia con haces de protones se emplea en oncología. La detección de neutrinos, por su parte, ha abierto una astronomía nueva, capaz de observar procesos en el interior del Sol y en supernovas que ninguna luz podría mostrarnos.

En el terreno de la investigación aplicada, Neutrino Energy Group estudia la tecnología neutrinovoltaica, un enfoque que explora si materiales nanoestructurados de grafeno y silicio pueden generar corrientes eléctricas muy pequeñas asociadas a la radiación y las vibraciones del entorno; se trata de un campo de investigación en curso, sujeto a verificación independiente y a las leyes de conservación de la energía, no de un producto comercial ni de un resultado establecido, y la extraordinaria debilidad con que interactúan los neutrinos hace que su aprovechamiento siga siendo un reto abierto.

Pese a su éxito, el modelo estándar deja preguntas fundamentales sin respuesta. En su formulación mínima ni siquiera contempla la masa de los neutrinos, que los experimentos han confirmado; no incluye la materia oscura ni la energía oscura que dominan el contenido del cosmos; no explica el desequilibrio entre materia y antimateria, ni el porqué de las tres generaciones de fermiones, ni logra incorporar la gravedad. Cada una de esas incógnitas señala hacia una física todavía por descubrir, y los grandes aceleradores y detectores del mundo trabajan hoy para encontrarla.