Hoy continuamos el viaje iniciado en un programa anterior hacia la búsqueda de la estructura última de la materia. Nuestro guía es, de nuevo, Pedro González Marhuenda, catedrático de Física Teórica en la Universidad de Valencia e investigador del Instituto de Física Corpuscular. En aquella ocasión, recorrimos la historia de esa búsqueda desde los lejanos tiempos en los que los filósofos griegos se hacían preguntas sobre la naturaleza de las cosas que nos rodean: Tales de Mileto, Demócrito, Aristóteles, etc. El viaje nos permitió llegar hasta finales del siglo XIX cuando el John Dalton ecuperó la idea de Demócrito y propuso que los elementos químicos estaban compuestos por átomos, unas partículas diminutas e indivisibles.

Los átomos propuestos por Dalton permitieron comprender la diversidad de las sustancias químicas que forman las cosas. Sin embargo, la indivisibilidad del átomo no duró mucho. El investigador Joseph John Thomson estudió una extraña radiación que se producía en un tubo de rayos catódicos, un dispositivo compuesto por dos electrodos, separados entre sí cierta distancia y encerrados en una ampolla de vidrio. Thomson observó que los rayos que viajaban entre los electrodos estaban compuestos por partículas con carga eléctrica negativa y con una masa mil veces más pequeña que la del átomo más pequeño conocido, el átomo de Hidrógeno. Así descubrió el electrón, una partícula subatómica que echaba por tierra la idea de la invisibilidad de los átomos.

La carga eléctrica negativa del electrón llevó a Thomson a pensar que en el átomo debían existir cargas idénticas, pero de signo opuesto, de lo contrario no se podría explicar que los átomos fueran neutros. Así pues, Thomson proporcionó, por primera vez, la idea de que los átomos tenían una estructura. Aunque él pensaba que las cargas negativas y positivas estaban mezcladas formando una especie de pudding de pasas (los electrones eran las pasas).

El siglo XIX terminó con el descubrimiento de la radiactividad, una radiación capaz de penetrar la materia que desprendían algunos átomos, como el uranio. El científico Ernest Rutherford comenzó a estudiar estas radiaciones y descubrió que un tipo concreto de ellas, las partículas alfa, eran átomos de helio ionizados. Utilizando las partículas alfa como proyectiles, bombardeó una finísima lámina de oro y observó que algunas de estas partículas cambiaban de dirección y otras, muy pocas, volvían hacia atrás, como si fueran rechazadas por una pequeñísima región muy densa cargada positivamente. Así descubrió que el núcleo atómico es muy pequeño y concentra toda la carga positiva del átomo. Rutherford propuso un modelo un modelo atómico que se asemejaba a un sistema planetario, con el núcleo en el centro y los electrones orbitando alrededor de él.

El modelo de Rutherford tenía un problema insalvable. La teoría electromagnética de Maxwell decía que los electrones en movimiento alrededor de átomo perderían energía por radiación electromagnética y en muy poco tiempo caerían en espiral hasta el núcleo fundiéndose con él. Por otro lado, al calcular la masa del núcleo, llegó a la conclusión de que éste estaba formado también por dos tipos diferentes de partículas, unas cargadas, a las que llamó protones y otras neutras, neutrones.

Los problemas del modelo planetario de Rutherford fueron resueltos por Neils Bohr añadiendo una propuesta original, basada en la mecánica cuántica. Para Bohr los electrones ocupan determinados niveles en los cuales ni emiten ni pierden energía, sin embargo, un electrón puede saltar de un nivel a otro, liberando o absorbiendo determinadas cantidades de energía. La justificación de ese extraño comportamiento fue facilitada por Louis Victor de Broglie quien propuso que los electrones son partículas que, a la vez, se comportan como ondas. Así nació lo que se llama dualidad onda-corpúsculo, característica de la mecánica cuántica. Esta visión fue completada por Erwin Schrodinger quien proporcionó la base matemática gracias a la ecuación que lleva su nombre, una ecuación que no habla de posiciones de las partículas sino de probabilidades, es decir, no se sabe muy bien dónde se sitúan pero sí se obtiene con qué probabilidad puede ocupar una región u otra.

Gracias a esta visión ondulatoria de la materia, se logró posteriormente el desarrollo del microscopio electrónico, el cual utiliza las propiedades ondulatorias de los electrones, en lugar una fuente luminosa, para ver y amplificar lo que se quiera observar.

A medida que los métodos de observación se fueron desarrollando, comenzaron a descubrirse nuevas partículas. Wolfgang Ernst Pauli, analizando teóricamente cómo un neutrón se descomponía en un protón y un electrón, observó que le faltaba energía en la ecuación y llegó a la conclusión de que debía existir una partícula, desconocida hasta entonces a la que se llamó neutrino. El neutrino fue detectado 25 años después.

A partir de los años 50 comenzaron a construirse aceleradores de partículas capaces de provocar colisiones de alta energía. El choque, por efectos de la conversión entre energía y materia establecida con la famosa ecuación de Einstein E=mc^2^, dio origen a un enorme número de nuevas partículas, el muón, el pión, etc. Tan grande fue la cantidad de partículas descubierta que a principios de 1960 no había una teoría capaz de describir lo que sucedía.

En 1964, Murray Gellman propuso un nuevo modelo, modelo estándar, según el cual, muchas de esas partículas podían explicarse si estaban compuestas por otras más elementales a las que denominó quarks. Esa propuesta rompió, una vez más, la idea de indivisibilidad, en esta ocasión, la de los constituyentes del átomo. El protón y el neutrón estaban constituidos por tres quarks cada uno. Así se fueron organizando en familias las partículas elementales: los quarks, los leptones (estos incluyen al electrón, muón, tau y neutrinos) y las partículas asociadas con las interacciones.

Las interacciones representan las fuerzas fundamentales de la naturaleza y se conocen cuatro: electromagnética, fuerte, débil y gravitatoria. Cada una de esas interacciones lleva asociada sus partículas mediadoras, el fotón, bosones W+, W- y Z, los gluones y, en el caso de la interacción gravitatoria, no se ha encontrado todavía pero ya tiene nombre: gravitón. A esto se suma la creación de la masa que se relaciona con el campo de Higgs, cuya partícula es el bosón de Higgs.

Esta es, muy resumida, la última estructura de la materia, tal y como la conocemos hoy ¿Es ésta la estructura última de la materia? No se sabe.

Os invito a escuchar a Pedro González Marhuenda, catedrático de Física Teórica en la Universidad de Valencia e investigador del Instituto de Física Corpuscular.

Referencias:

Estructura última de la Materia (I). Hablamos con Pedro González Marhuenda.
Los Quarks
El Quark y el Jaguar. Hablamos con Murray Gell-Mann
Tales de Mileto y su alargada sombra.