Repaso histórico sobre el conocimiento de la materia

1. LA COMPLEJIDAD DE LA MATERIA
UN POCO DE HISTORIA
POR NURIA LÓPEZ VARELA ,
PROFESORA DE FÍSICA Y QUÍMICA
DEL I.E.S PROFESOR JULIO PÉREZ, DE RIVAS VACIAMADRID

2. ¿Por qué hay tantas sustancias y
objetos diversos?

3. • Conocer cómo está constituida la materia que nos rodea ha sido
siempre uno de los grandes objetivos perseguidos por los hombres de
Ciencia.
• Entre los siglos V y lV a.C., surge la filosofía atomista de la mano de
los filósofos griegos Leucipo y Demócrito . Estos filósofos de la
antigüedad ya imaginaron que la materia era discontinua y estaba
constituida por partículas pequeñas a las que llamaron átomos.
• En el siglo I de nuestra era, el romano Tito Lucrecio Raro escribe un
largo poema didáctico “De Rerum Natura” (Sobre la Naturaleza de las
Cosas) en el que expone que todo está formado por átomos y vacío, y
trata el movimiento de los átomos y sus agrupaciones.

4. Leucipo Demócrito Tito Lucrecio

5. Monedas griegas actuales de cinco y diez dracmas

6. En 1803, el británico John Dalton
formula la “teoría atómica de la
materia”, retomando el átomo como
constituyente básico de la misma.
Apenas se conocían dos docenas de
elementos (tipos de átomos).
• Esta teoría consigue explicar
satisfactoriamente las leyes de la
combinación química formuladas en el
siglo anterior.
• Según esta teoría los átomos eran unidades materiales indivisibles e inalterables.
Asimismo todos los átomos de un mismo elemento eran idénticos.
Ambas ideas resultaron ser incorrectas.

7. • En 1869 el químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeléiev publica su
Tabla Periódica de elementos. En ella ordena los 63 elementos
conocidos en su época en orden creciente de su masa atómica y los
agrupa según criterios de semejanza de sus propiedades físico-
químicas.
• Medeleiev predice, además, la existencia de algunos elementos aun
no descubiertos. Un año después de su muerte, se conocían ya 86
elementos. La rapidez de los descubrimientos fue posible gracias a
esta tabla periódica, una de las aportaciones más importantes a la
Química.
• La tabla periódica moderna contiene 90 elementos naturales y
alrededor de 22 artificiales.

8. Con el descubrimiento de los isótopos, en el siglo siguiente, se
puso de manifiesto que las propiedades de los elementos variaban
periódicamente con el número atómico.

9. La existencia del electrón fue evidenciada principalmente a través
del estudio de tres fenómenos:
• la electrólisis
• los rayos catódicos en los tubos de gases a baja
presión
• la radiactividad natural.
EL ELECTRÓN

10. La electrólisis
• En 1833, el británico Michael Faraday relaciona la carga eléctrica
utilizada en una electrólisis y la masa de elemento depositado después en
los electrodos.
• Los resultados obtenidos por Faraday fueron razonados años más tarde
por G. Johnstone Stoney, quien propuso que la electricidad debía estar
formada por pequeñas partículas a las que llamó “electrones” y que los
iones del electrólito cogían o cedían un cierto número de estas partículas
antes de depositarse como elementos en los electrodos. Asimismo pudo
cuantificar la carga del electrón.

11. CUBA
ELECTROLÍTICA

12. Los rayos catódicos en los tubos de gas enrarecido
• En 1897, el físico inglés Joseph John Thomson confirma
experimentalmente la existencia del electrón estudiando los rayos
catódicos. Asimismo determina la relación entre su carga y su masa.
Posteriormente el físico estadounidense Robert Millikan midió su carga.
• Dado que los electrones constituyentes de los rayos catódicos procedían
de la materia, y ésta estaba formada por átomos, era fácil concluir que los
electrones formaban parte de los mismos.

13. Tubos de descarga de gases

14. Los rayos catódicos se mueven en línea recta

15. Tubo de rayos catódicos

16. • Asimismo, estudiando los iones positivos que se producen en los
tubos de descarga, Thomson descubre que algunos gases tienen más
de un valor para el cociente carga-masa de los iones, lo que le hace
llegar a la conclusión de que tiene que haber átomos del mismo
elemento químico con distintas masas (los isótopos).
Posteriormente con el invento del espectrómetro de masas se fueron
identificando los isótopos de todos los elementos.

17. Thomson recibió el
premio Nobel de física en
1906.

18. Recordemos:
La dinamita fue uno de los productos de la química del siglo XlX.
En 1847 el italiano Sobrero descubrió la nitroglicerina, el explosivo más
potente conocido hasta entonces. Pero su inestabilidad provocó muchos
accidentes mortales. Una de las víctimas fue el hermano del científico
Alfred Nobel (1833-1896), que se dedicó a la idea de “domar” la
nitroglicerina. En 1866 encontró la solución: mezclándola con diatomita,
sólo podía estallar con un detonador. Llamó a esta combinación
dinamita (de la palabra griega dunamis, que significa fuerza).

19. • Con su invención, Nobel acumuló una gran fortuna que a su
muerte donó para la institución de los premios que llevan su
nombre.
• La dinamita es un ejemplo excelente de la ambivalencia de
muchas invenciones, pues además de un arma mortífera ha
sido una de las invenciones que más trabajo y fatigas han
ahorrado al hombre.

20. Alfred Nobel

21. Alfred Nobel y la dinamita

22. La radiactividad natural
• Descubierta por el francés Henry Becquerel en 1896, fue estudiada,
entre otros, por el matrimonio Curie.
• En 1895 el alemán Roëtgen había descubierto los rayos X.
Se puede afirmar que el descubrimiento de los rayos X y el de la
radiactividad inician una segunda revolución en el campo de la
Física.

23. • Los experimentos revelaron que las sustancias radiactivas emitían
tres tipos de radiaciones : la radiación α (núcleos de helio), radiación β
(electrones) y radiación γ (radiación electromagnética de mayor
frecuencia que los rayos X).
Después de la emisión de una partícula α o β, el núcleo queda excitado
y emite el exceso de energía en forma de radiación γ.

24. En 1903 Becquerel y los esposos Curie recibieron el Premio Nobel de Física.
En 1911, muerto Pierre, Marie Curie recibió el Premio Nobel de Química
por el descubrimiento del radio y del polonio.

25. El modelo atómico de Thomson
En 1910 J.J.Thomson propone el primer
modelo atómico, según el cual:
• El átomo es una esfera maciza de carga
eléctrica positiva.
• Los electrones están incrustados en esta
esfera maciza en un número suficiente
como para neutralizar la carga eléctrica
positiva de la esfera.

26. EL PROTÓN
En 1886, Goldstein estudia los rayos anódicos o positivos que se
producen en los tubos de rayos catódicos. Cuando el tubo contiene
hidrógeno, las partículas de estos rayos tienen una carga igual a la del
electrón pero de signo contrario, y una masa similar a la del átomo de
hidrógeno.
Hacia 1914 , Enrnest Rutherford, físico neozelandés, llama a esta
partícula “protón” (del griego protos, el primero).

28. Ernest Rutherford recibió el Premio Nobel de Química en 1908
por sus estudios sobre la radiactividad natural.

29. EL NÚCLEO ATÓMICO
En 1911 Rutherford, discípulo de Thomson, postula la existencia
del núcleo atómico, para explicar los experimentos de dispersión de las
partículas α, llevados a cabo por sus colaboradores Geiger y
Marsden.

32. El modelo atómico de Rutherford
• El átomo posee un núcleo central que contiene prácticamente toda la
masa del átomo y la totalidad de los protones.
• Los electrones, se encuentran girando alrededor del núcleo en órbitas
circulares concéntricas estables.
• El número de electrones en un átomo neutro es igual al de protones.
Este modelo incumplía las leyes de la Física clásica en las que se
basaba. Según estas leyes, los electrones describirían trayectorias
espirales con final en el núcleo.

33. LAS REACCIONES NUCLEARES Y LA RADIACTIVIDAD
ARTIFICIAL
En 1919, Rutherford publica el resultado de lo que se ha denominado la
primera reacción nuclear artificial:
En una reacción nuclear se produce el reagrupamiento de los nucleones
de dos núcleos. Uno de los núcleos de la reacción debe ser un proyectil
con una gran energía cinética inicial.

34. En 1934, el matrimonio Frédéric Joliot e Irène Curie
consiguen preparar fósforo radiactivo manipulando partículas
procedentes de una muestra de polonio, y haciéndolas pasar a
través de una lámina muy fina de aluminio:
Nace así la radiactividad artificial, la radiactividad que
tiene lugar como consecuencia de una reacción nuclear
provocada previamente.

35. Irène Curie y su esposo
recibieron el Nobel de Química
en 1935.
Marie Curie murió antes
(aquejada de leucemia) y no
pudo ver a su hija y su yerno
recibir tal honor.

36. LA ENERGÍA
• La energía, el otro concepto clave, junto al de materia, para entender
las transformaciones que tienen lugar a nuestro alrededor, sufre
importantes cambios a principios del siglo XX.
• A lo largo del siglo XlX, la espectroscopía ya ha puesto de manifiesto
que la materia absorbe y emite radiación, y si ya venía admitiéndose que
la materia estaba cuantizada en forma de átomos, ahora empieza a
considerarse que la energía también lo está.

38. Dos hechos avalan esta idea: la radiación del cuerpo negro y la
hipótesis de Planck (1900), y los espectros atómicos y la
justificación de Bohr (1913).
Estos hechos manifiestan que las energías de las partículas que
constituyen la materia, no pueden tener cualquier valor. Esto implica
que los cuerpos no emiten o absorben radiación electromagnética de
forma continua, sino discreta.
Así pues, los fenómenos subatómicos son discontinuos. En ellos, las
magnitudes físicas no pueden variar su valor de forma continua.

39. El modelo atómico de Bhor
El danés Niels Böhr fue discípulo en Manchester de Ernest Rutherford,
antes de dirigir el Instituto de Física de teórica de Copenhague.
El modelo atómico de Bohr sitúa a los electrones girando en órbitas
circulares estacionarias alrededor del núcleo. La emisión o absorción de
energía por parte del átomo está asociada a los saltos electrónicos.
El modelo permite calcular teóricamente el valor del radio de las órbitas
y de la energía de los electrones en ellas y consigue explicar todos los
valores del espectro observados para el átomo de hidrógeno.
Su principal limitación es que el modelo sólo es aplicable al átomo de
hidrógeno y a los átomos hidregenoideos (con un único electrón).

40. NATURALEZA DUAL DE LA RADIACIÓN
En 1905, Eisntein explica el efecto fotoeléctrico postulando que la
radiación electromagnética está constituida por “fotones” o paquetes de
energía que son los que interaccionan con los electrones de la materia.
Nace así el carácter corpuscular de la radiación.
Hoy se acepta que la luz puede presentar un doble
comportamiento, ondulatorio y corpuscular, adoptando uno u
otro según el fenómeno considerado.

41. Albert Einstein
Efecto fotoeléctrico

42. LA RELATIVIDAD
En 1905 Einstein desarrolla la teoría de la Relatividad Especial que explica
el comportamiento de la materia afectada de velocidades próximas a la luz.
En relación a las partículas materiales, esta teoría concluye:
• La masa de las partículas se incrementan al crecer su velocidad, de manera que
tiende al valor infinito a medida que la velocidad crece acercándose a la velocidad
de la luz.
• Sólo las partículas con masa nula en reposo pueden moverse a la velocidad de
la luz en un sistema inercial. Este es el caso del fotón.
• Si una partícula experimenta un cambio en su energía E, su masa sufre una
variación m, tal que E = m c2 : principio de equivalencia entre la masa y
la energía.

43. • El intervalo de tiempo entre dos sucesos dura más tiempo cuando
ocurre en un objeto con movimiento relativo a un observador, que
cuando el objeto está en reposo relativo al observador.
Una de las múltiples consecuencias de este hecho es la dilatación de
la vida media de las partículas inestables, en el sistema de referencia
terrestre, cuando se mueven con velocidades próximas a la luz. Esto
ha permitido detectar los muones (una de las partículas elementales
recientemente descubiertas) que se generan en las altas capas de la
atmósfera.

44. La teoría de la relatividad especial de Einstein dio paso a la teoría de la
Relatividad General (1915).
De pronto incluso los conceptos más firmes, como el espacio y el
tiempo, quedaron descartados y suplantados por un continuo espacio
temporal de muy difícil comprensión.

45. NATURALEZA DUAL DE LA MATERIA
En 1925, el francés Louis de Broglie postula que el comportamiento dual
de la radiación debe ser igualmente aplicable a las partículas materiales.
Un año después, Davisson y Germer obtienen figuras de difracción de un
haz de electrones, lo que corrobora que los electrones se comportaban
como ondas. Otras experiencias de difracción con protones, neutrones o
átomos de helio fueron confirmando posteriormente la validez de este
postulado.

47. Louis de Broglie fue Premio
Nobel de física en 1929.

48. LA MECÁNICA CUÁNTICA
Entre 1925 y 1930, científicos como el alemán Werner Heisemberg,
el austriaco Edwin Schrödinger, Max Born y el inglés Paul Dirac,
entre otros, desarrollan la nueva mecánica del mundo atómico y
subatómico, la mecánica cuántica, que ya tiene en cuenta la
naturaleza ondulatoria de las partículas subatómicas.

49. En 1927, el alemán Werner Heisemberg enuncia su principio de
incertidumbre o principio de indeterminación, según el cuál la interacción
objeto-observador impide determinar simultáneamente los valores exactos
del impulso de una partícula y de su posición. Lo mismo ocurre con los
valores de la energía de la partícula y el tiempo correspondiente
(magnitudes conjugadas).
• Este principio hace evidente que sólo se pueden predecir
comportamientos probables de las partículas de un sistema cuántico. Así
se sustituyeron las órbitas electrónicas de Bohr por los orbitales
(regiones de alta probabilidad de presencia de los electrones).

50. Un orbital es una región del espacio del átomo donde la probabilidad
de encontrar el electrón es del 90%.

51. Werner Heisenberg, junto con Dirac, fueron Premio Nobel de
Física en 1932

52. LA GRAN CONTREVERSIA
Einstein nunca aceptó la interpretación probabilística de la Mecánica
Cuántica.
Es famosa la frase que Einstein dirigió a Bohr: ”Tú crees en un Dios
que juega a los dados y yo en la ley y el orden, en un mundo que
existe objetivamente y que intento captar, Dios no juega a los
dados con el Universo”
Hace pocos años, otro científico, el físico y cosmólogo británico Stephen
Hawkins, zanjaba la cuestión, tras medio siglo de experimentos que
avalan la teoría cuántica y sus sorprendentes consecuencias, en otra
sentencia:
”Dios no sólo juega a los dados, sino que a veces los lanza donde
no podemos verlos”.

53. Max Born, Premio Nobel de Stephen Hawkins
Física en 1954

54. LA ANTIMATERIA
El físico teórico británico Paul Dirac unifica en 1928 la
relatividad y la mecánica cuántica, y predice la existencia de
antipartículas.
En 1932, el físico estadounidense Carl David Anderson
descubre experimentalmente la antipartícula del electrón.

56. EL NEUTRÓN
La demostración de la existencia del neutrón llega en 1932, cuando el
inglés James Chadwick interpreta adecuadamente la radiación que se
emite al bombardear una muestra de berilio con rayos alfa.
Premio Nobel de Física en 1935

57. LA FISIÓN NUCLEAR
• La fisión nuclear es la rotura de un núcleo pesado en otros más ligeros
mediante el bombardeo con una partícula adecuada.
En 1938, el alemán Otto Hahn descubre la fisión del uranio por bombardeo
con neutrones. Dicha reacción nuclear es muy exotérmica y se convierte en
un proceso nuclear muy importante por su doble vertiente, la militar y la
pacífica, para la obtención de energía eléctrica en las centrales nucleares.
• Enrico Fermi es el físico italiano que desarrolla el primer reactor nuclear.
Fue en 1942, en la Universidad de Chicago. Durante la
Segunda Guerra Mundial participó en el desarrollo de la bomba atómica
en los laboratorios de Los Álamos, Nuevo México, dentro del
Proyecto Manhattan. En 1938 Fermi recibe el Premio Nobel de Física.

58. Las dos bombas atómicas lanzadas sobre Japón en la Segunda guerra
Mundial produjeron la muerte directa de 114 000 personas y secuelas
(directas y a los descendientes) a buena parte de la población.
Enrico Fermi

59. LA FUSIÓN NUCLEAR
• La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos
de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se
acompaña de la liberación de energía, que permite a la materia entrar en
un estado plasmático.
• La fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por
primera vez por Mark Oliphant en 1932. La investigación sobre la
fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y
continúa hasta este día.

60. La energía de fusión, ¿la energía del futuro?
En 2008 comenzó a construirse en Francia el primer reactor experimental (tipo
Tokamak), más conocido como el ITER, que pesará lo mismo que todo el edificio
del Empire State en Nueva York.

61. EL NEUTRINO
En la desintegración de una partícula en dos,
la conservación de la energía y el momento
determinan el proceso. Sin embargo la
desintegración beta de los núcleos radiactivos
parecía no cumplir este principio.
En 1930, Wolfgang Pauli propone la emisión
simultánea de una partícula neutra
extremadamente ligera bautizada un año
después como neutrino por Fermi.
Wolfgang Pauli

62. IceCube es el mayor observatorio de neutrinos del
mundo, situado a 2500 m bajo la Antártida.
Estas diminutas partículas atraviesan nuestro planeta, nosotros
incluidos, por trillones cada segundo, pero por su escasísima masa
(menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de
hidrógeno) rara vez colisionan con algún átomo y resultan
prácticamente indetectables. Por eso se construyen instalaciones
gigantescas en lugares apartados de las interferencias.

64. OTROS OBSERVATORIOS SUBTERRÁNEOS DE NEUTRINOS
Super-Kamiokande, o Super-K, es un observatorio de neutrinos
localizado en Japón. El observatorio fue diseñado para estudiar los
neutrinos solares y atmosféricos. Este observatorio está localizado a
1.000 m bajo tierra en la mina de Mozumi, en la ciudad de Hida. Consta
de 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por cerca de 11.000 tubos
fotomultiplicadores (detectores)
La interacción de los neutrinos con los electrones o los núcleos de agua,
puede producir partículas que se mueven más rápidamente que la luz
en el agua, provocando destellos luminosos (efecto Cherenkov). El
patrón característico de este destello provee información sobre los
diferentes tipos de neutrinos.

66. Por su parte, el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en el centro de
Italia recibe de forma continua neutrinos muónicos desde el CERN de
Ginebra (a 730 km de distancia) para estudiarlos e intentar averiguar la
masa de estas partículas.

67. En la mina más profunda del hemisferio Norte se ha abierto una
ventana hacia el Sol. Es el observatorio de Sudbury (Canadá), en el
que los científicos detectan el flujo de neutrinos procedentes de la
estrella para estudiar las reacciones que la hacen lucir.
El corazón del detector actual, que empezó a tomar datos en 1999, es
una vasija acrílica que contiene mil toneladas de agua pesada. La
vasija, de 12 metros de diámetro, está sumergida en 7.000 toneladas
de agua ligera contenida en la cavidad de la roca.

69. En nuestro país tenemos el laboratorio Tunel de Canfranc
A unos 800 metros de profundidad, debajo de las pistas de esquí de
Candanchú, en el antigüo túnel ferroviario, están excavadas unas grandes
salas, convertidas en un laboratorio de astrofísica. Es uno de los cuatro
laboratorios subterráneos europeos y el segundo en dimensión con sus
1.200 metros cuadrados tras la ampliación de 2006. En este laboratorio
trabajan físicos, entre otras cosas, en la investigación de la composición
e interacción de los neutrinos y otras partículas.

70. Un interesante proyecto para construir una vasta infraestructura que
albergue un observador de neutrinos en el fondo del
mar Mediterráneo está en desarrollo por un consorcio de
40 institutos y universidades de diez países europeos.
El consorcio afirma que el KM3Net, tal como se le conoce, abrirá
una nueva ventana al conocimiento sobre el Universo gracias a su
capacidad para detectar neutrinos de alta energía producidos por
violentos eventos en el espacio exterior como supernovas, colisiones
de estrellas y estallidos de rayos gamma.
Actualmente el mayor observatorio de neutrinos del hemisferio norte
es el observatorio submarino Antares, situado frente a Marsella a
2500 km de profundidad.

71. Gracias a su escala, el
KM3Net será la segunda
mayor construcción humana
después de la Gran Muralla
en China.
Junto con el observatorio
de neutrinos, KM3Net
tendrá un conjunto de
equipos para monitorear el
ambiente submarino el cual
entre otras cosas, será
capaz de grabar las
comunicaciones acústicas
de las ballenas
y observar organismos
biolumuniscentes.

72. ELECTRODINÁMICA CUÁNTICA (QED)
• Entre 1934 y 1948, Richard Feynman, Sin- Ichiro Tornonaga y
Julian Schwinger, describen las interacciones electromagnéticas entre los
electrones, positrones y fotones de forma cuántica y relativista
desarrollando una nueva teoría, la Electrodinámica Cuántica.
• Según esta teoría, las cargas eléctricas emiten y absorben
continuamente fotones “virtuales”, que aparecen y desaparecen
rápidamente .
• La electrodinámica cuántica explica los resultados conocidos y permite
el cálculo de nuevos efectos posteriormente comprobados
experimentalmente.

73. El estadounidense Richard Feymann fue Diagrama de
Premio nobel de Física en 1965 Feyman

74. LOS QUARKS
A través del estudio de la dispersión electrón-protón, mediante un
experimento análogo al de Rutherford, en 1956, Hofstadter mide el
tamaño del protón y en 1967, Friedmann, Kendall y Taylor descubren
que el protón está compuesto de 3 quarks, partículas subatómicas
desconocidas hasta esa fecha.

75. LOS PIONES
En 1934 un joven físico japonés Hideki Yukawa propone que los nucleones
interaccionan entre sí intercambiándose unas partículas de masa intermedia
entre las partículas ligeras (los electrones) y las pesadas (los protones), los
mesones.
Había que encontrar dichos mesones; la fuente de búsqueda fueron los rayos
cósmicos. C.D. Anderson encuentra en ellos una partícula similar a la predicha
por Yukawa, pero el comportamiento de dicho mesón no responde a las
predicciones teóricas. Se necesitaron 11 años más para que se descubrieran los
mesones pi o piones predichos por Yukawa. Dos años después en 1949, Yukaba
recibía el premio Nobel de física por haber previsto la existencia de mesones.

76. Aunque posteriormente se descubrieron nuevos mesones que
hacían inviable su modelo, la teoría de mesones hizo avanzar
notablemente la física de partículas subatómicas, y sigue siendo
utilizada con fines de cálculo aproximado en muchos casos.

77. LLEGAMOS AL PRESENTE
Tras el descubrimiento del neutrón y hasta el día de hoy, se han
descubierto ya más de 200 partículas elementales; las primeras, en
los rayos cósmicos, y el resto, en las reacciones nucleares producidas
en los aceleradores de partículas.

78. • La Tierra recibe continuamente radiación que proviene del Sol y los
espacios interestelares: es la radiación cósmica, formada por radiación
electromagnética y por partículas elementales, (protones, electrones,…)
con alta energía. Los rayos cósmicos (un 77% protones), al chocar con
átomos de la atmósfera, pueden producir reacciones nucleares de las que
resultan gran variedad de partículas (positrones, muones, piones …) y
radiaciones secundarias. Estudiando la radiación secundaria el físico
estadounidense Carl David Anderson detectó, por primera vez, la
presencia del positrón, la antipartícula del electrón.
• En el interior de los aceleradores de partículas, éstas chocan a gran
velocidad (Física de las Altas Energías) creándose otras nuevas, la
mayoría inestables.

79. INTERACCIÓN DE LOS RAYOS CÓSMICOS CON LA ATMÓSFERA
TERRESTRE

80. • El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que
describe las propiedades de las partículas elementales que componen la
materia y las interacciones entre ellas.
• Es una teoría desarrollada ente 1970 y 1973 compatible con la
mecánica cuántica y la relatividad especial. Constituye la frontera
actual de nuestro conocimiento de la materia.
• Este modelo habla de dos tipos de partículas, las partículas “de materia”
y las partículas “mediadoras de las fuerzas”.
EL MODELO ESTÁNDAR

82. PARTÍCULAS DE MATERIA.
El modelo estándar sugiere que la materia se compone, en última
instancia, de quarks y leptones. Así mismo contempla que cada
partícula de materia (ya se conocen del orden de 300) tiene su
antipartícula (electrón y positrón, neutrino y antineutrino,…) que se
distingue de la primera por poseer alguna característica opuesta de tal
manera que si una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas
se aniquilan y se transforman en energía en forma de radiación.

84. LOS QUARKS
• Hay seis tipos o “sabores” de quarks: por un lado los u (up), los c
(charm) más pesados que los up, y los t (top), aún más pesados, y por
otro, los d (down) , los s (strange) más pesados que los down, y los b
(bottom), aún más pesados.
• Los tres primeros tienen una carga igual a 2/3 la carga del electrón y
los tres últimos tienen 1/3 de la carga del electrón Los antiquarks se
simbolizan con una rayita encima de la letra que designa al
correspondiente quark.

85. Los quarks siempre están agrupados como componentes de las partículas
denominadas hadrones. Estos, a su vez, pueden ser de dos clases:
• Bariones, constituidos por tres quarks. Son bariones el protón (uud)
y el neutrón (udd).
• Mesones, constituidos por un quark y un antiquark (de un quark
diferente al primero) Son mesones los piones y los kaones.
Los mesones pueden encontrarse aislados aunque son inestables y
se acaban desintegrando.

86. d u
u
q(u) = +2/3
q(d) = -1/3
q(p) = +1
d u
d
q(n) = -1/3 - 1/3 + 2/3= 0

87. • A los quarks se les asigna una tercera propiedad adicional a la carga
y el espín, denominado color.
• Existen tres variedades de color denominadas rojo, verde y azul.
Así los quarks aparentemente idénticos en el seno de un protón o
neutrón, se diferencian en última instancia por la “carga de color”,
cumpliendo así el principio de exclusión de Pauli.

88. LOS LEPTONES
Son también seis los leptones conocidos:
- los leptones con carga -1 : el electrón, el muón (con una vida media
de 2 millonésimas de segundo) y el tau (extremadamente inestable).
- los leptones neutros: el neutrino electrónico, el neutrino
muónico y el neutrino del tau.
Las propiedades de los leptones son muy parecidas entre sí, aunque
tienen diferente masa. La del muón es algo más de 200 veces superior a
la del electrón, mientras que el tau es unas 3 500 veces más masivo que
el electrón.
Los neutrinos tienen una masa muy pequeña (sin cuantificar por el
momento).

89. • Los leptones más pesados (el muón y la partícula tau), no se
encuentran en la materia ordinaria, porque decaen extremadamente
rápido, hacia leptones más livianos y, a veces, hacia pares quark -
antiquark. Los electrones y los neutrinos son los únicos leptones estables.
• Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra en un proceso
conocido como oscilación de neutrinos. El corazón solar emite cantidades
ingentes de neutrinos electrónicos pero en el camino hasta la Tierra van
transformándose en neutrinos de otro tipo.

90. • Las partículas también pueden clasificarse por el spín en fermiones
(spín semientero, como los leptones y los quarks, cuyo spín es ½) y
Bosones (spín entero o nulo como los mesones). Mientras que los
primeros cumplen el Principio de exclusión de Pauli (no pueden existir
dos fermiones en el mismo estado cuántico), los segundos lo
incumplen.
• Para finalizar señalar que a la hora de estudiar el comportamiento de
un conjunto grande de partículas es necesario acudir a la estadística de
Bose-Einstein si las partículas son bosónicas y a la estadística de
Fermi-Dirac si las partículas son fermiónicas.

91. COCRETANDO
Todas las partículas verdaderamente elementales o fundamentales
caben en el siguiente cuadro:

92. • Los quarks y los leptones de la primera columna son los denominados
de 1ª generación, los de la segunda columna los denominados de
2ª generación y los de la tercera los denominados de 3ª generación.
Cada generación es más pesada que la generación previa.
• Toda la materia estable en el Universo está formada por partículas de
materia de la primera generación. Las partículas de la segunda y tercera
generaciones son inestables y decaen hacia partículas de la primera
generación

93. PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZAS
La teoría cuántica de campos interpreta tres de las cuatro
interacciones fundamentales entre partículas (fuerzas) mediante el
intercambio de partículas:

94. Los fotones (de masa en reposo nula) son las partículas
mediadoras de la interacción electromagnética, los bosones
de Gauge (un total de 3) son las partículas mediadoras de la
interacción débil y los gluones (un total de 8) son las partículas
mediadoras de la interacción nuclear fuerte gracias a la cuál los
quarks están fuertemente unidos en los núcleos atómicos.

95. I. gravitatoria
.
.
.
. .
.
I. electromagnética
1
Interacción fuerte
10-5
10 -210 - 40
10 -5
I. débil
4 interacciones básicas

96. Tipo de Interacción Partícula Mediadora
Electromagnética γ (fotón)
Fuerte g (gluón)
Débil bosones W, Z
Gravitatoria G (gravitón)
Aún no detectado
experimentalmente

97. • Las partículas que sienten la interacción débil son los quarks y los
leptones (con alguna excepción).
• Sólo los quarks, y todas las partículas constituidas por quarks,
como los protones y los neutrones, sienten la interacción fuerte.

98. El protón está compuesto por tres quarks que se mantienen unidos
intercambiando constantemente gluones; si además hay un electrón
ligado al protón por el intercambio de fotones, el resultado es un átomo
de hidrógeno. (¡No está a escala!)

100. LA TEORÍA DE LA GRAN UNIFICACIÓN
Hoy en día, una de las mayores metas de los físicos de partículas, es
unificar las cuatro interacciones en una única teoría, la teoría de la “Gran
Unificación”.
Recientemente se ha logrado unificar el electromagnetismo y la
interacción débil en una interacción llamada electrodébil y se dispone ya
de una idea de cómo se pueda realizar la unificación de la interacción
electrodébil y la fuerte en una interacción llamada electronuclear
fuerte.

101. • Pero para ello es preciso tener un acelerador de partículas que
suministre energía del orden de 10 veces superior a la disponible
actualmente. Esto será posible con el nuevo acelerador LHC del CERN.
• No obstante, la unificación de las interacciones electrodébil y fuerte
con la gravedad resulta casi imposible. Dicha unificación necesitaría de un
acelerador que proporcionase una energía del orden de la existente
cuando se originó el Universo en el Big Bang, y de momento no es
posible construir dicho acelerador.

102. EL BOSÓN DE HIGGS.
La partícula de Higgs (a veces llamada “la partícula de Dios”) es una
partícula elemental masiva, de spin nulo, predicha por el modelo
estándar pero aún no detectada por ningún experimento. La existencia
de esta partícula, que debe su nombre a uno de los científicos que
hace 30 años predijo su existencia, se considera indispensable para
explicar por qué las partículas elementales tienen masa y por qué son
tan diferentes entre ellas.

103. • En el gran colisionador de hadrones LHC del CERN de Ginebra se
precipitan billones de protones hacia las colisiones al 99,9999991% de la
velocidad de la luz. Los quarks y los gluones dentro de los protones chocan
y estallan con suficiente energía como para que surja la esquiva Higgs.
• Probablemente 100 o 200 veces más masiva que un protón, es
inestable. Subsistirá menos de una cuatrillonésima de segundo antes de
desintegrarse en una lluvia de otras partículas. Los indicios de la Higgs
serán las trazas y espirales que las partículas creadas por su desintegración
dejarán en los detectores del LHC.

104. Cuando los protones choquen en el LHC, a unos niveles energéticos sin
precedentes, los físicos esperan ver partículas extrañas y estados de la
materia que sólo fueron habituales durante los primeros instantes del
universo. Una de las partículas que buscan es el bosón de Higgs

105. • Dado que el modelo estándar predice la existencia de esta
partícula, puede entenderse el anhelo de los físicos por verificar
experimentalmente su existencia.
• Pronto se podrá ver si la teoría se reafirma, o entra en
dificultades en el rango de las grandes energías.

106. Si se encuentra el bosón de Higgs, la física podrá
explicarse mediante "una sencilla fórmula"

107. Otro acelerador de partículas se ha dedicado, en los últimos años a la
búsqueda del bosón de Higgs, el del Laboratorio Fermilab. Se trata de
un laboratorio de física de altas energías (llamado así en honor al físico
Enrico Fermi), que fue pionero, durante mucho tiempo, en física de
partículas. Se encuentra localizado a 50 kilómetros al oeste de Chicago
(Estados Unidos).
En el Fermilab está instalado el segundo acelerador de partículas más
potente del mundo (el primero es el LHC), el Tevatrón.

108. Dos componentes muy importantes del modelo actual de partículas
fundamentales fueron descubiertos en el Fermilab: el quark fondo
(mayo - junio 1977) y el quark cima (febrero 1995). En julio del 2000,
los investigadores del Fermilab anunciaron la primera observación
directa del neutrino tauónico, la última partícula elemental en ser
observada.

109. EL LABORATORIO FERMILAB

110. LLEGADO ESTE MOMENTO ES INVITABLE LA SIGUIENTE
CONCLUSIÓN:
LA HISTORIA DE LA CIENCIA NOS ENSEÑA QUE EL ESTADO
ACTUAL DE NUESTRO CONOCIMIENTO ES SIEMPRE
PROVISIONAL Y QUE DEBEN EXISTIR, MÁS ALLÁ DE LO QUE
ACTUALMENTE SE CONOCE, INMENSAS REGIONES NUEVAS QUE
DESCUBRIR.

111. El CPAN en el Instituto
Actividad divulgativa organizada por el Centro
Nacional de Física de Partículas,
Astropartículas y Nuclear (CPAN).

112. VISITA AL CERN EN OCTUBRE DEL 2009