jueves, 22 de diciembre de 2016

Premios Breakthrough 2017



Imagen 1: Strominger, Polchinski y Vafa (izq a der).

A principio de mes se dieron a conocer los galardonados de los Premios Breakthrough 2017. En la categoría de Física Fundamental, los afortunados son tres de los más importantes físicos teóricos especialistas en teoría de cuerdas: Joe Polchinski, Andy Strominger y Cumrun Vafa (Imagen 1). Polchinski trabaja en el Kavli Institute for Theoretical Physics en Santa Bárbara (California), y Strominger y Vafa en el Center for the Fundamental Laws of Nature de la Universidad de Harvard. ¡Enhorabuena a los premiados!

Los Premios Breakthrough fueron instituidos por Yuri Milner hace cuatro años, un emprendedor millonario de origen ruso afincado en la Bahía de San Francisco y físico de formación. Completamente desconocido en el mundillo de la física teórica hasta 2012, su nombre saltó del completo anonimato a celebrity físico-teórica en verano de ese año cuando, con la comunidad científica desprevenida, se dieron a conocer unos nuevos galardones dotados de tres millones de dólares, tres, cada uno. Esta cuantía se anunció junto con los premiados de ese año, todos ellos reconocidos físicos teóricos asociados en mayor o menor medida con la teoría de cuerdas. De un plumazo, se premió a la plana mayor “cuerdera” del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton (Nima Arkani-Hamed, Juan Maldacena, Nathan Seiberg y Edward Witten), además de a los también famosos en esta área Alan Guth (MIT), Alexei Kitaev (por entonces de Caltech, ahora de Santa Bárbara), Maxim Kontsevich (IHES), Andrei Linde (Stanford) y Ashoke Sen (Harish-Chandra). Un plantel para quitarse el sombrero.

Estos nuevos premios no dejaron a nadie indiferente. El asunto causó mucho revuelo y dotó, afortunadamente, de considerable vidilla a los, casi únicos por otro lado, eventos sociales que frecuentamos los físicos: la hora de la comida, el cafelito posterior y las cenas de seminarios, workshops y congresos. Las opiniones variaban de un extremo a otro. Unos sostenían que aquello era un escándalo, una intromisión en la noble tarea investigadora que ha de salvaguardarse de semejantes sobornos. Añadían estos que, si de dar dinero a fondo perdido se trataba, mejor usar tan ingentes cantidades en crear un enorme número de becas de doctorado y post-doctorado en física teórica. Otros, sin embargo, eran de la opinión de que aquello estaba muy bien: la teoría de cuerdas llevaba siendo estudiada desde los años setenta y ya era hora de que se reconociera mediante la institución de un galardón, sólidamente respaldado a golpe de talonario.

Otras peculiaridades del premio alimentaban aún más la polémica. Por ejemplo, la gala de concesión de los premios, televisada en EEUU por Discovery Channel aquel año, se concibió con un formato al estilo de Hollywood, intencionadamente diseñado para levantar comparaciones con la ceremonia de los Oscars. Por ejemplo, este año como en alguna otra edición previa, la gala fue presentada por Morgan Freeman: un aire californiano diametralmente alejado de la vetusta pompa y circunstancia escandinava que tanto gusta en los ambientes académicos. Una crítica más seria a estos premios venía del hecho de que no quedaba muy claro cuáles eran las bases o el patrón de concesión.

En mi modesta opinión, creo que, con todos sus posibles defectos, estos premios son algo positivo. Creo que Milner lo hace por una vocación filantrópica, muy enraizada en la cultura empresarial estadounidense y, en especial, de Silicon Valley (véase el caso de Bill Gates), en gratitud por su formación en física. No creo que la integridad de investigadores e investigaciones se vea comprometida. También creo que era necesario un galardón que premie investigación puntera en las áreas más especulativas de la física teórica. En particular, este premio viene a llenar el hueco que el Nobel, con su (también razonable, por otro lado) requisito sobre validación experimental de la investigación premiada, no es capaz de llenar. Recuerdo una discusión el año pasado, durante una cena de seminario en Henrietta’s Table, el restaurante que suele acoger la cena de seminario de física teórica de Harvard, sobre una interesante idea. Entre los presentes, se encontraban galardonados ya entonces con el Breakthrough, y otros que lo serían posteriormente. Se habló de que sería buena idea trocear el premio y concederlo a jóvenes promesas. En realidad, el premio New Horizons de la misma organización es una especie de Breakthrough junior que va en esa línea. También se ha rumoreado que Ashoke Sen decidió donar el premio para becas de formación, pero no tengo constancia directa de ello. Es un gesto que honraría a Sen o cualquiera de los premiados desde 2012 que decidiera dar ese destino al premio. Soy también de la opinión que los premiados no se deben ver en la obligación moral de dar esa salida al premio: con la excepción de los portavoces mencionados más abajo, es su premio, bien merecido por lo que me consta, y están en perfecto derecho de darle un uso personal a ese dinero.

En todo caso, el premio se ha venido otorgando anualmente desde 2012. Desde 2013, cuando Milner se asoció con los indudablemente más mediáticos Sergey Brin de Google y Mark Zuckerberg de Facebook, se ha venido concediendo también en las categorías de Biología y Matemáticas. Es cierto que, en ocasiones, se ha hecho de manera algo curiosa. Por ejemplo, en 2013 se concedió bien merecidamente al cuerdero Alexander Polyakov, también de Princeton (de la Universidad, no confundir con el IAS mencionado arriba). Hasta ahí todo bien. Pero en 2013 también se concedió un premio especial a los científicos portavoces de las colaboraciones experimentales de CERN que descubrieron el bosón de Higgs ese año. Parece que les entró prisa por premiarlos, porque en vez de dar un premio especial los podrían haber premiado en la edición siguiente. Ni qué decir tiene que también fue peculiar, y no estuvo exento de polémica, premiar a los portavoces de turno de las colaboraciones, pues son cargos político-administrativos temporales. En 2013 Stephen Hawking fue también galardonado (por radiación de agujeros negros, entre otras cosas, de la que hemos hablado aquí), muy meritoriamente, aunque de manera especial, en vez de ordinaria.

El año pasado sucedió algo similar. Se premió de forma ordinaria a ciertos físicos teóricos (de neutrinos en vez de cuerdas, supongo que para variar), pero cuando estaba ya todo el pescado vendido en lo que se refiere a la determinación de los agraciados, se anunció el bombazo científico del año: el descubrimiento de ondas gravitacionales. Y entonces, como si nada, se creó un premio especial para los teóricos del asunto: Ronald Drever, Kip Thorne y Rainer Weiss. La comparación con el premio especial de 2013 deja, por cierto, algunos interrogantes. ¿Se premiará también, de forma especial u ordinaria, a los teóricos del Higgs todavía vivos (Englert, Hagen, Higgs)? ¿Se premiará a representantes del experimento LIGO, que detectó las ondas gravitacionales? 

Y así llegamos al último premio Breakthrough de Física Fundamental, anunciado a principios de diciembre, para Polchinski, Strominger y Vafa. Estaba cantado que más pronto que tarde lo recibirían, ya que sus nombres eran sonadas omisiones en la lista de insignes teóricos de cuerdas galardonados hasta la fecha. Como en los casos anteriores, y a mi modo de ver, esta es una concesión muy merecida. Los tres son destacados físicos que han realizado contribuciones sobresalientes a la teoría de cuerdas, a la teoría de agujeros negros y, en general, a la física teórica. Es más, Polchinski, Strominger y Vafa son algunos de los que fundamentaron en su día los mismísimos principios de la teoría de cuerdas. Y lo quizá más notable: ninguno de los tres se ha dedicado a vivir de rentas desde aquellas contribuciones fundacionales. A lo largo de todos estos años, se han mantenido tremendamente activos produciendo investigación puntera que ha seguido marcando la pauta a nivel mundial hasta día de hoy. Strominger, por ejemplo, sacó un artículo hace unas pocas semanas con Stephen Hawking y Malcolm Perry, continuación de otro previo, donde se hacen progresos acerca de uno de los grandes enigmas de física de agujeros negros: la paradoja de la información. No me puedo resistir aquí a señalar humildemente que, a fecha de este post, el último artículo de Strominger tiene a un servidor como coautor. Es para mí un gran honor.


Imagen 2: Jefferson Laboratoy. Departamento Física Teórica Harvard.

Ya hemos hablado en este blog de una de las contribuciones recientes de Polchinski a la física de agujeros negros: los firewalls, o muros de fuego. Hablemos pues, brevemente, de una de las más célebres contribuciones de Strominger y Vafa: su cálculo conjunto de la entropía de agujeros negros usando teoría de cuerdas.

Desde el trabajo teórico de Bekenstein y Hawking en los setenta, sabemos que los agujeros negros se comportan como sistemas termodinámicos: tienen temperatura y variables como energía y entropía sujetas a las leyes de la termodinámica, las famosas primera y segunda leyes. La entropía, por ejemplo, proporciona una medida del desorden del sistema en cuestión. Bekenstein y Hawking establecieron que los agujeros negros tienen entropía, y dieron una expresión para esa entropía basada en criterios termodinámicos.

Los fenómenos termodinámicos son macroscópicos, es decir, debidos a la aglomeración de muchas partículas, o componentes elementales. No tiene sentido pues hablar de transmisión de calor entre partículas elementales a nivel individual. Ese y otros fenómenos solo surgen debido a la acumulación de grandes cantidades de material. Uno puede usar la termodinámica para describir, aprovechar y explotar, por ejemplo, procesos industriales desde la más completa ignorancia de lo que hacen las partículas elementales a nivel individual: solo importa el comportamiento colectivo. Ahora bien, desde el punto de vista científico, es muy importante tener una teoría fundamental que explique microscópicamente el comportamiento macroscópico. Es decir, es importante tener una descripción básica y fundamental de la dinámica de los componentes elementales, tal que permita obtener mediante métodos estadísticos los comportamientos termodinámicos observados a escalas macroscópicas. A tal descripción microscópica se la suele llamar “de primeros principios”.

Uno de los mayores logros de la física del siglo XIX fue obtener una descripción microscópica, de primeros principios, de muchos fenómenos termodinámicos. Eso conseguía, por ejemplo, la teoría cinética de gases. Así pues, en el momento en que Bekenstein y Hawking determinaron que los agujeros negros son sistemas termodinámicos, pusieron a estos sistemas en la misma tesitura que a los gases en el siglo XIX: se hacía necesario encontrar el equivalente a la teoría cinética, es decir, una descripción de primeros principios de la física de agujeros negros. ¿Cuál sería, pues, la teoría que describiera microscópicamente la entropía de los agujeros negros?

Como ya hemos comentado en este blog, los agujeros negros son, también, sistemas cuánticos. Por ese motivo, la teoría microscópica llamada a reproducir sus propiedades termodinámicas ha de ser, necesariamente, la teoría cuántica de la gravedad. Ahora bien, uno de los grandes retos de la física teórica es, precisamente, establecer cuál es la teoría que rige el régimen cuántico de la gravedad. La teoría de cuerdas es una firme candidata a ser justamente esa teoría. En 1996, Strominger y Vafa emplearon la teoría de cuerdas para realizar un cálculo microscópico de la entropía de ciertos agujeros negros (ver aquí), ¡obteniendo exactamente el mismo resultado que Bekenstein y Hawking! Así pues, Strominger y Vafa reprodujeron por primeros principios, con teoría de cuerdas, la entropía termodinámica del tipo concreto de agujero negro considerado. Además de un gran éxito en sí mismo, este resultado supuso un gran espaldarazo a la teoría de cuerdas como candidata a teoría cuántica de la gravedad. Este resultado de Strominger y Vafa ha sido sin duda determinante para la obtención del Premio Breakthrough 2017, por sus “avances transformadores en teoría cuántica de campos, teoría de cuerdas y gravedad cuántica”.


Imagen 3: Kalvi Institute for Theoretical Physics. Santa Bárbara.

Concluyamos mencionando a los galardonados con el Premio New Horizons 2017, la versión junior del Breakthrough como hemos indicado más arriba. Son Asimina Arvanitaki (de Perimeter Institute), Peter Graham (Stanford), Surjeet Rajendran (Berkeley) y Frans Pretorius (Princeton), además de los cuerderos Simone Giombi (Princeton) y Xi Yin, con el que he tenido el gusto de coincidir en Harvard durante mi etapa allí en los últimos años.


De nuevo, ¡enhorabuena!



Texto de Óscar Varela, Doctor en Físicas, Assistant Professor en Utah State University, y Senior Scientist en Max Planck Insitut für Gravitationsphysik, Postdam.


lunes, 19 de diciembre de 2016

Alba: la luz sincrotrón española.








En marzo de 2010, en Cerdanyola del Vallés (Barcelona), se inaugura el sincrotrón ALBA. Habiendo costado unos 200 millones de Euros, es sin duda una de las instalaciones científicas más importantes de España. No obstante, mucha gente no sabe que España tiene esta instalación puntera ni para qué sirve, esperemos aclararlo un poco.

El sincrotrón es básicamente una instalación que utiliza electrones acelerados para generar rayos X, que son utilizados para diversos tipos de investigaciones. Esta generación de rayos X se fundamenta en el movimiento de los electrones: cuando un electrón se mueve y cambia la dirección de su movimiento, emite energía.

En una visión más general, teniendo en cuenta efectos relativistas, uno se puede imaginar a los electrones viajando a velocidades cercanas a la de la luz (c = 3x108 m/s) y al ser forzados a cambiar su movimiento bajo la acción de campos magnéticos, se produce una emisión de luz con unas propiedades características, la llamada radiación sincrotrón. Esta radiación es producida en una instalación sincrotrón de tamaño aproximado a cuatro campos de futbol. Aquí, los electrones son acelerados a una energía extremadamente alta y se les hace cambiar de dirección periódicamente para conseguir la emisión de este singular tipo de luz.

¿De dónde proviene la luz del sincrotrón? Básicamente del movimiento de los electrones. Los electrones son generados en un cañón de haz electrónico por emisión termiónica desde un cátodo de wolframio calentado, de la misma forma que se hace en un tubo de rayos X o en un antiguo televisor de rayos catódicos. Una vez generado, este haz es acelerado en un acelerador lineal (linac1) mediante campos eléctricos hasta una energía de alrededor de 100 MeV. En este punto, el haz es transferido al anillo intensificador de señal o booster, donde se intensifica a energías desde millones (106) a giga (109) electrón voltios (GeV) con la ayuda de imanes muy potentes (¡2000 veces más intensos que el campo magnético de la Tierra!) y campos eléctricos. El sincrotrón español (ALBA), que se puede ver en la figura 1, tiene una energía de 3 GeV. En este punto, el haz de electrones es enviado al anillo de almacenamiento donde los campos magnéticos lo mantienen confinado. Para hacernos una idea, los electrones se mantienen girando alrededor de una circunferencia que en el caso de ALBA tiene 269 metros. Este ciclo es repetido 3 veces por segundo.

Figura 1.

                           

Durante el tiempo que el haz está en el anillo de almacenamiento, este haz está gradualmente decayendo debido a las colisiones de los electrones con moléculas de gas residual y con otros electrones. Para minimizar estas pérdidas, el haz transita por dentro de una cámara circular a ultra-alto vacío, a alrededor de 10-10 milibares, equivalente a la presión atmosférica en la Luna. Sin embargo, incluso en estas condiciones el haz necesita ser recargado una o varias veces al día para que su intensidad no decrezca tanto.

El anillo de almacenamiento tiene que ser visto como una estructura consistente en secciones arqueadas, donde actúan los imanes desviadores de dipolo (BM) y secciones rectas, donde se disponen unos dispositivos de inserción (ID: onduladores y wigglers) como se ve en la figura 1. Los BMs son usados para desviar los electrones a lo largo de las secciones arqueadas y producen una radiación que es menos intensa en términos de brillo a la producida por los IDs.

La aparición de estos últimos (IDs) son los que han definido las fuentes de radiación sincrotrón de tercera generación, tales como ALBA. Estas fuentes están diseñadas para obtener un flujo óptimo con el máximo brillo. De hecho, estas dos propiedades indican la calidad de una instalación sincrotrón. El flujo espectral está definido por el número de fotones por segundo y por ancho de banda (~ 0.1%) atravesando un área definida y se explota como haz blanco de rayos X (es decir, no monocromático sino con todas las longitudes de onda mezcladas), aquí es más importante la intensidad del haz que su tamaño. Para focalizar el haz en un foco de tamaño reducido se explota otra de las cualidades de los sincrotrones, el brillo del haz2. Este último parámetro, el brillo, establece el foco más pequeño al que se puede llegar con el haz de rayos X y determina cómo está distribuido el flujo tanto angular como espacialmente. Así podemos definir el brillo como la cantidad de potencia por unidad de frecuencia, área y ángulo sólido.

Hay un continuo desarrollo de elementos ópticos que optimizan estas propiedades del haz sincrotrón en las llamadas fuentes de tercera generación. Sin embargo, hay que mencionar que existen fuentes de cuarta generación ya disponibles que están basadas en láseres de electrones libres (FELs). Estas nuevas instalaciones son capaces de producir pulsos de luz coherente muy cortos y con un pico muy alto de intensidad y brillo3.

Figura 2.
                                    

El destino final de la radiación sincrotrón es la línea, que está posicionada tangencialmente al anillo de almacenamiento de forma que se captura la luz de sincrotrón (fotones del haz de rayos X) procedente del anillo. Para los usuarios, la línea es la parte de la instalación sincrotrón que despierta mayor interés. La primera parte que se encuentra el haz de rayos X es la cabaña óptica, donde los fotones son entregados por los imanes del anillo. Esta sección incorpora varios dispositivos como filtros, atenuadores, espejos y monocromadores que se usan para enfocar y seleccionar la longitud de onda (energía) deseada para cada experimento. Éstos se realizan en la segunda estación de la línea llamada estación final o cabaña experimental. La mayoría de estos experimentos están alojados dentro de un recinto que apantalla la radiación, para que los trabajadores de la línea y los usuarios estén protegidos de los rayos X nocivos. Debido a que los científicos no pueden entran en las cabañas durante la recolección de los datos, el equipamiento está controlado remotamente en la cabaña de control vía motores y dispositivos robóticos.

La radiación sincrotrón es extremadamente intensa (cientos de veces más intensa que la de un tubo de rayos X que se pueda encontrar en un laboratorio convencional) y cubre un amplio rango de energías, desde el infrarrojo y ultravioleta pasando por el visible hasta la región del espectro electromagnético perteneciente a los rayos X duros y blandos.

Las técnicas de sincrotrón también abarcan un gran número de aplicaciones desde las biológicas a los materiales industriales, como se muestra en la figura 1. El amplio rango de instrumentos y longitudes de onda disponibles permiten determinar el tamaño, la forma de los materiales y elucidar sus estructuras. Desde el punto de vista biológico se pueden resolver estructuras de proteínas y virus (ver el ejemplo de XALOC mostrado en la figura 1), obtener imágenes y mapas de cómo se pueden invertir las alteraciones producidas en células infectadas mediante ciertos fármacos (MISTRAL) e investigar largos acoplamientos moleculares como polímeros, proteínas, fibras y otras soluciones biológicas (ver NCD). Químicamente, la estructura de materiales masivos puede ser estudiada mediante difracción y espectroscopía de absorción tanto en condiciones ambiente como en condiciones extremas de presión y temperatura (MSPD y CLAESS). Las propiedades avanzadas de la luz sincrotrón en términos de precisión, especificidad y oportunidad comparada con el laboratorio convencional lidian bien con ese tipo de estudios avanzados. Actualmente, es posible desarrollar experimentos usando la luz sincrotrón (MSPD) en materiales sujetos a un amplio rango de presiones y temperaturas, excediendo la condiciones encontradas en la Tierra (363 GPa – más de 3 milliones de veces la presión atmosférica) y alcanzadas por otros planetas (~ 1TPa)4.

Figura 3.
                                           

Los estudios experimentales en materiales 2D como capas delgadas, superficies e interfases también se pueden realizar mediante la radiación sincrotrón. De esta forma, se puede ahondar en el conocimiento y obtener información a una profundidad de unos pocos nanómetros para materiales magnéticos (BOREAS) o incluso seguir reacciones químicas en la escala atómica en diferentes catalizadores (CIRCE). Un estudio reciente describió la coexistencia de magnetismo y superconductividad en superconductores de alta temperatura basados en cupratos6, contrario a la creencia común que dichas propiedades son fenómenos excluyentes.

El uso de la radiación sincrotrón es una herramienta enormemente aprovechable en la que el conocimiento de la escala atómica puede ser obtenido de manera relativamente sencilla gracias al gran número de técnicas que permite. La combinación de investigación y radiación sincrotrón ha abierto nuevas perspectivas en el estudio de la naturaleza de los materiales antes mencionados con resultados en un amplio número de campos.





Esta entrada está escrita por Catalin Popescu, investigador en la línea MSPD de Alba.



Alba-Cells, Spanish synchrotron website. https://www.cells.es/en/accelerators/operations
2 P. Willmott, An introduction to synchrotron radiation (John Wiley and Sons Press, UK, 2011).
3 S. Mobilio, F. Boscherini, C. Menenghini, Synchrotron Radiation – Basics, Methods and Applications (Springer Press, Berlin, 2015).
4 Alba news: researchers probe thallium under extreme conditions and the reference therein https://www.cells.es/en/media/news/researchers-probe-thallium-under-extreme-conditions
5 T. S. Duffy, Mineralogy at the extremes, Nature 451, 06584 (2008). http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7176/full/nature06584.html
6 Alba news: the hidden mechanism in high temperature superconductors and the reference therein https://www.cells.es/en/media/news/the-hidden-magnetism-in-high-temperature-superconductors


lunes, 5 de diciembre de 2016

Unificación II: El Modelo Estándar





Imágen 1: Glashow, Salam y Weinberg en la entrega Premio Nobel de 1979

Como ya hemos contado en este blog, en la actualidad nos son conocidas cuatro interacciones fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. A escalas cosmológicas, la primera de ellas viene descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein. Las tres restantes se enmarcan en una teoría que, desde los años 70, se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas o, simplemente, Modelo Estándar. Es esta ultima teoría la que rige los procesos sub-atómicos.

Una de las enseñanzas de la relatividad general es que cualquier cuerpo o partícula dotado de energía, con independencia de que tenga masa o no, genera atracción gravitatoria. La interacción electromagnética, sin embargo, solo son capaces de sentirla las partículas dotadas de cierta propiedad: tener carga eléctrica. Masa, energía y carga eléctrica nos son conceptos cotidianos. En particular, todos recordamos aquello de que cargas eléctricas opuestas se atraen, e idénticas se repelen. También existen partículas desposeídas de carga eléctrica, completamente invisibles, pues, a la interacción electromagnética. A las partículas que sienten la interacción electromagnética las llamamos cargadas, y a las que no lo hacen, neutras.
Las interacciones débiles y fuertes son, en ese sentido, similares al electromagnetismo: hay partículas que sienten esas interacciones y otras que no lo hacen. A las partículas que sienten las interacciones débiles (y en algunos casos, también la electromagnética), se les denomina leptones. Las partículas “cargadas” respecto de la interacción fuerte se llaman hadrones.

La gravitación es la única interacción verdaderamente universal. Lo es no solo en el sentido restringido de ser la fuerza que gobierna el universo a gran escala. La gravitación es universal porque todo en este mundo está sometido a ella, a diferencia de las otras tres interacciones fundamentales, que solo actúan sobre ciertas partículas.

Ahora bien, ser universal no quiere decir que necesariamente lleve la voz cantante: la intensidad de unas interacciones respecto de otras es lo que realmente domina los procesos físicos a una escala dada. Por ejemplo, a escalas cosmológicas, la gravitación domina sobre el resto de interacciones. Pero a escalas sub-atómicas, la intensidad de la gravitación es mínima comparada con la de las tres interacciones del Modelo Estándar. Los efectos gravitatorios en la física de partículas elementales son completamente irrelevantes.

Es por esta razón que el Modelo Estándar, aunque excluya la gravitación, es una teoría perfectamente consistente en sí misma. No solo eso: se suele decir que, junto con la relatividad general, el Modelo Estándar es la construcción científica, verificada experimentalmente, más sofisticada y precisa que el ser humano ha logrado hasta ahora. He añadido la cualificación acerca de la verificación experimental para diferenciar el Modelo Estándar de otras teorías, como la teoría de cuerdas, que muestran incluso mayor sofisticación pero no gozan de marchamo experimental. Al menos hasta la fecha.

El Modelo Estándar consta de tres componentes íntimamente relacionados. El primero agrupa las partículas elementales de las que venimos hablando de manera informal. El segundo componente engloba las tres interacciones fundamentales que también hemos señalado. Y el tercer componente es el llamado bosón de Higgs, recientemente descubierto en CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas. Describamos pues en detalle cada uno de estos sectores.

La coletilla de elemental hace referencia a que las partículas en cuestión no tienen estructura interna: la teoría realmente las representa como puntos en el espacio-tiempo. Este criterio solo lo han resistido algunas de las partículas que se conocen desde hace mucho tiempo y otras desde hace no tanto. A medida que avanzaban las investigaciones sobre la estructura de la materia a escalas mas pequeñas, algunas partículas que se pensaban elementales han dejado de serlo, con la definición dada arriba. Por ejemplo, hace cien años se descubrió que el átomo estaba formado por electrones que, en cierto modo, orbitaban alrededor de un núcleo. Si bien el electrón se ha mostrado elemental hasta nuestros días, así no lo ha hecho el núcleo. Efectivamente, posteriormente se descubrió que este estaba formado por protones y neutrones, colectivamente llamados nucleones por ser estos los componentes del núcleo atómico. Incluso los nucleones han caído hoy en día del pedestal de la elementariedad: en la actualidad sabemos que están a su vez formados por otros componentes llamados quarks. De estos sí se piensa que son elementales, pero con semejantes antecedentes es difícil poner la mano en el fuego.


La elementariedad de muchas otras partículas, no solo la de los nucleones, ha sido redefinida con el tiempo. Hacia mediados del siglo XX, tecnología cada vez más desarrollada permitía descubrir muchas partículas nuevas. Tantas había que se hacía necesario unos principios básicos que pusieran orden y permitieran una clasificación de los resultados. Es decir, se hizo necesario el equivalente de lo que en química en el siglo anterior había supuesto el descubrimiento de la tabla periódica de los elementos.



Imagen 2: Modelo Estándar

El Modelo Estándar supone esa clasificación (Imagen 2). Hay dos tipos de partículas elementales en el Modelo Estándar: leptones y quarks. Hay seis leptones: el electrón que ya hemos mencionado, el muón y el tau, ambos versiones masivas e inestables del electrón; a su vez, estas tres partículas vienen acompañadas de otras tres llamadas neutrinos. Seis, pues, en total. Como ya hemos señalado arriba, los leptones sienten la interacción débil y algunos de ellos, los leptones cargados, también la electromagnética. El electrón, muón y tau son cargados, mientas que los neutrinos, como su nombre indica, son neutros.
Los quarks, por otro lado, son los componentes fundamentales de los hadrones, es decir, las piezas básicas de las que se componen las partículas compuestas, como los nucleones, que sienten las interacción nuclear fuerte. Hay también seis tipos de quark: up, down, charm, strange, top y bottom. El hecho de que haya seis leptones y seis quarks permite a su vez agrupar estas partículas en tres familias, compuestas de dos quarks y dos leptones. Por ejemplo, la familia de menor masa se compone de electrón, el correspondiente neutrino, y los quarks up y down. En la imagen 2, los quarks aparecen en violeta y los leptones en verde.

Pasemos a describir las tres interacciones del Modelo Estándar. Como teoría cuántica que es, las partículas del Modelo Estándar interaccionan intercambiando cuantos, es decir, paquetes de energía del tipo correspondiente a la interacción en cuestión. Por ejemplo, el cuanto del campo electromagnético es el fotón, la partícula que originó la revolución cuántica de Planck. Un electrón cargado negativamente y un (anti)muon cargado positivamente, se atraen mediante el intercambio de fotones. La situación es parecida a la de un partido de tenis, en el que ambos tenistas interaccionan y se mueven siguiendo un intercambio de la pelota. La interacción débil posee tres cuantos, llamados Z, W+ y W-. Sus propiedades físicas son muy parecidas a las del fotón. Por esa razón, a la interacción electromagnética y la interacción débil se las conoce conjuntamente como interacción electro-débil. Finalmente, el cuanto de la interacción fuerte se conoce como gluón. En la imagen 2, estos cuantos aparecen en rojo.

Los cuantos de las interacciones del Modelo Estándar también se conocen como bosones de gauge, y así se los nombra en la imagen adjunta. El término hace referencia a que el Modelo Estándar es una teoría llamada de gauge. Este término se puede traducir como de calibración, y hace referencia a que la teoría es simétrica, es decir, invariante cuando ciertas operaciones se realizan en su formulación matemática en cada punto del espacio separadamente. Estas operaciones tienen una estructura matemática conocida como grupo. 
Para concluir los comentarios sobre interacciones, añadamos que hay ciertas teorías, llamadas de gran unificación, que postulan que el Modelo Estándar debería estar regido por grupos de simetría mayores que el que actualmente se conoce. El nombre de gran unificación viene en la línea de lo que discutíamos aquí: estas teorías especulativas logran unificar la descripción matemática de las interacciones fuertes y las electro-débiles.

Finalmente, el ultimo eslabón del Modelo Estándar es el bosón de Higgs. No entraremos aquí en detalle porque el Bosón de Higgs merece su propio post. Solo diremos que es el elemento del Modelo Estándar que da masa al resto de componentes, tanto partículas como cuantos de interacción.




Imágen 3: Oscar Varela en la construcción del LHC en el CERN en 2005

El Modelo Estándar es efectivamente una teoría de gran sofisticación verificada experimentalmente. Como es sabido, el Comité Nobel de Estocolmo hace de la verificación experimental requisito indispensable para otorgar tan prestigioso galardón. Así pues, el Modelo Estándar ha recibido varios. El primero, en 1979, lo recibieron Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg (Imagen 1) por sus contribuciones a la teoría electro-débil. En 2004, David Gross, David Politzer and Franck Wilczek recibieron el premio Nobel por desentrañar ciertos aspectos de la interacción fuerte. Y más recientemente, François Englert y Peter Higgs compartieron el Nobel por sus descripciones teóricas, independientes, del famoso bosón.

En sucesivos posts seguiremos hablando del camino hacia la Unificación, para llegar finalmente a la Teoría de Cuerdas. 


Texto de Óscar Varela, Doctor en Físicas, Assistant Professor en Utah State University, y Senior Scientist en Max Planck Insitut für Gravitationsphysik, Postdam.