¿De qué está hecha la materia? ¿Cuáles son sus constituyentes últimos? Esta pregunta ha estado siempre presente a lo largo de la historia y el concepto de constituyente elemental ha ido evolucionando en paralelo al desarrollo del conocimiento científico. En la cultura griega, a partir de Empédocles, la respuesta eran los cuatro elementos básicos: aire, agua, tierra y fuego. Veinticinco años después, Dimitri Mendeliev estableció la tabla periódica, una clasificación de todos los elementos químicos (más de 100 en la actualidad) en familias que tienen las mismas propiedades. El modelo griego es conceptualmente superior por su simplicidad, pero es erróneo, ya que no explica las propiedades de la materia. La clasificación de la tabla periódica es correcta y es la base de la química, pero tiene un número demasiado elevado de constituyentes elementales para poder ser considerada como la explicación fundamental del mundo físico.

El desarrollo posterior de la física atómica, molecular y nuclear nos ha permitido comprender que las regularidades de la tabla periódica son debidas a la existencia de una subestructura más simple. Los átomos son nubes de electrones con carga eléctrica negativa orbitando alrededor de un núcleo con una carga eléctrica igual pero positiva; a su vez, el núcleo está formado por protones y neutrones, ambos denominados nucleones. Los neutrones, con propiedades parecidas a las del protón, pero sin carga eléctrica, estabilizan los núcleos pesados, porque contribuyen a la atracción fuerte entre los nucleones sin incrementar la repulsión electromagnética. Los diferentes elementos químicos corresponden a átomos con un número diferente de electrones. Los isótopos químicos son átomos con idénticas propiedades químicas (número Z de electrones y protones), pero con un número diferente de neutrones en el núcleo y por tanto con masas diferentes. La interacción electromagnética entre los electrones y los núcleos atómicos, regida por las leyes de la mecánica cuántica, es, pues, responsable de la estructura atómica y por tanto de todas las propiedades químicas, biológicas, etc., es decir, del entorno macroscópico que nos rodea.

Tenemos, pues, una explicación extremadamente simple y rigurosa de la materia, en términos de tan solo tres partículas elementales, electrón, protón y neutrón, y dos interacciones básicas, electromagnética y fuerte (la gravedad es despreciable en el terreno microscópico). Esta descripción representa uno de los progresos conceptuales más importantes del conocimiento científico, pero es incompleta, como ahora veremos.

En 1928 P. A. M. Dirac demostró teóricamente que la combinación de los principios de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial implicaba necesariamente la existencia de la antimateria: toda partícula debe tener la correspondiente antipartícula con idénticas propiedades, pero con la carga opuesta. Cuatro años más tarde se descubría el positrón (el antielectrón) en los rayos cósmicos que caen sobre la Tierra. El descubrimiento del antiprotón y del antineutrón no llegaría hasta los años cincuenta, cuando los primeros aceleradores de partículas fueron capaces de producirlos.

Desde los primeros estudios de la radiactividad natural, los científicos se habían topado con un problema aparentemente irresoluble dentro del marco teórico conocido. Algunos núcleos son capaces de transmutarse en un núcleo diferente, cambiando la carga nuclear en una unidad, emitiendo radiación ß (que consiste en un electrón o en un positrón). Este fenómeno corresponde a una transmutación, dentro del núcleo, entre los dos tipos de nucleón, es decir un neutrón se desintegra en un protón y un electrón o un protón se transforma en un neutrón y un positrón. Hay por tanto una fuerza adicional de muy baja intensidad, denominada interacción débil, que es capaz de cambiar la interacción de los nucleones. El problema es que en este proceso de transmutación siempre desaparece energía, en contradicción con el principio de conservación más firme de la ciencia.

En 1930, W. Pauli inventó una solución estrambótica: en la desintegración ß se produce una tercera partícula, el neutrino, que se escapa con la energía que falta. El neutrino no tiene ni carga eléctrica, ni interacción fuerte y por tanto es una especie de fantasma indetectable. Como tiene solamente interacción débil, un neutrino es capaz de atravesar una nube de hidrógeno tan grande como el universo sin topar con un solo átomo. De hecho Pauli pensaba que nadie sería capaz de detectar nunca un neutrino. Y se equivocó.

La primera observación de un antineutrino se hizo en los años cincuenta, colocando un detector en una barraca al lado de un reactor nuclear que producía un gran número de neutrones. Como los neutrones se desintegran, del reactor se escapaban 1013 antineutrinos por segundo y cm², de los cuales solamente se pudo observar en el detector las señales (interacciones) de unas decenas. También el Sol es una fuente muy intensa de neutrinos, a causa de las reacciones nucleares originadas en su seno. Cada segundo 1012 neutrinos solares atraviesan nuestro cuerpo sin que nuestras células noten, afortunadamente, su presencia. También de noche nos llegan ¡atravesando la Tierra! La detección de estos neutrinos nos permite estudiar el interior del Sol y sus mecanismos de funcionamiento.

Cuatro partículas (neutrino, electrón, protón y neutrón) y sus correspondientes antipartículas parecen, pues, suficientes para describir nuestro mundo. Sin embargo, hay otro nivel de subestructura dentro de los nucleones. El protón y el neutrón pertenecen a una numerosa familia de partículas con interacciones fuertes, denominadas hadrones. Primero se descubrieron los piones en los rayos cósmicos y después los aceleradores comenzaron a producir un gran número de nuevas partículas, todas ellas inestables, que se desintegran rápidamente. Los hadrones no son elementales: se componen de unas entidades más pequeñas: los quarks. Las fuerzas que unen los quarks son tan intensas que están siempre confinados dentro de los hadrones, siguiendo unas reglas peculiares debidas a la dinámica de la interacción fuerte. Los hadrones corresponden a estructuras formadas por tres quarks (bariones), por tres antiquarks (antibariones) o por un quark y un antiquark (mesones). Dentro de los nucleones descubrimos dos tipos de quarks, denominados u (up) y d (down). Un protón es un estado uud y un neutrón tiene la composición udd. Así pues, los quarks tienen una carga eléctrica fraccionaria: +2/3 el u y –1/3 el d. Las posibles combinaciones de estos tipos de quarks y los respectivos antiquarks originan una gran variedad de hadrones.
Finalmente tenemos una tabla de constituyentes elementales que, como la de Empédocles, tiene solamente cuatro entidades básicas: dos quarks (u y d) y dos leptones (neutrino y electrón). La moderna teoría cuántica de campos da una descripción rigurosa de su dinámica. Las interacciones fuertes de los quarks son gobernadas por las leyes de la cromodinámica cuántica, mientras que la teoría unificada electrodébil describe correctamente las otras dos interacciones. Es una descripción simple y poderosa, pero de nuevo incompleta.

En los años cuarenta apareció en los rayos cósmicos un primo del electrón: el muón. En el 1975, en el acelerador de Stanford, se descubrió el leptón tau. El muón y el tau son idénticos al electrón, pero mucho más pesados (200 y 3.000 veces más respectivamente). Son inestables y acaban transformándose en electrones. Y por no quedarse sólo, también el neutrino (electrónico) tiene dos primos: los neutrinos muónico y tauónico (la primera observación directa del neutrino tauónico se ha producido recientemente). Los quarks también presentan una repetición similar. Hay tres quarks diferentes con carga +2/3, u, c (charm) y t (top), y tres con carga –1/3, d, s (strange) y b (beauty). Las numerosas combinaciones posibles de todos estos quarks dan lugar a centenares de partículas hadrónicas: un verdadero zoológico de nuevas formas de materia que es necesario investigar.

Por otro lado, las diferentes fuerzas tienen en sus propios cuantos o unidades básicas de transmisión de la interacción. La fuerza electromagnética es debida al intercambio de fotones; los fotones forman la luz, las ondas de radio y televisión, los rayos X, etc. La interacción fuerte viene mediada por 8 gluones; como los fotones, son cuantos sin masa ni carga eléctrica y dan lugar a interacciones de largo alcance que viajan a la velocidad de la luz. La interacción débil es de muy corto alcance y se produce por el intercambio de 3 cuantos muy masivos, los bosones W^± y Zº, que han sido descubiertos e investigados en el CERN durante los últimos diez años. Además, se piensa que también la gravitación tiene su cuanto, naturalmente llamado gravitón. Paradójicamente, la primera interacción conocida, la gravitación, es ahora mismo un gran problema. Se sabe que el fotón y los bosones W⁺ y Z⁰ están estrechamente relacionados por una simetría que se rompe a bajas energías; en condiciones de mayor temperatura las interacciones electromagnética y débil se confunden y no son más que una sola interacción: la electrodébil. Igualmente, a temperaturas todavía mayores habrá una unificación de esta interacción con la interacción fuerte, y hay teorías para describir esta unificación, así como evidencias en este sentido. La unificación con la gravedad, sin embargo, es más complicada tanto desde el punto de vista teórico como experimental. Las temperaturas para observar la hipotética unificación son enormes, como las que existían al inicio del Big Bang. He aquí otro aspecto interesante e insospechado hace unas decenas de años: el mundo microscópico de los constituyentes elementales y el mundo macroscópico del universo se encuentran cara a cara. Por eso los grandes aceleradores de partículas pueden dar una idea de cómo se comportaba la materia en las condiciones que existían justo después del Big Bang.

La física actual se encuentra en una situación bastante parecida a la de la química en la segunda mitad del siglo XIX. La tabla de constituyentes elementales de la materia tiene ahora tres familias de objetos básicos, con dos quarks y dos leptones cada una (más las correspondientes antipartículas), que describen perfectamente todos los fenómenos conocidos. La dinámica de las tres fuerzas involucra el intercambio de doce cuantos adicionales. La nueva proliferación de entidades elementales nos vuelve a plantear la misma pregunta: ¿existe una subestructura más simple? Tampoco conocemos qué dinámica determina las diferentes masas de los constituyentes. La teoría actualmente aceptada predice la existencia de un cuanto adicional, relacionado con la generación de escalas de masas: el bosón de Higgs. El descubrimiento de esta partícula, el último anillo del marco teórico conocido, será el objetivo del nuevo acelerador LHC que ahora comienza a construirse en el CERN. También desconocemos por qué existen tres familias de constituyentes, pero parece que eso tiene alguna relación con la práctica ausencia de antimateria en nuestro universo. Pensamos que en los primeros 10^-10 segundos después del Big Bang se produjo una pequeña asimetría entre materia y antimateria. La antimateria se habría aniquilado con la materia, fenómeno que produjo radiación energética (fotones y gluones), y el exceso de materia habría originado nuestro universo tal y como lo observamos.

Antoni Pich
IFIC, Centro Mixto CSIC – Universitat de València