Los antiguos griegos suponían que la materia del universo estaba formada por diminutos componentes «indivisibles» que ellos llamaban átomos. Del mismo modo que el número de palabras posibles en un lenguaje alfabético está formado por el gran número de combinaciones de una pequeña cantidad de letras, los griegos intuyeron que la amplia variedad de objetos materiales podría también resultar de combinaciones hechas mediante un pequeño número de bloques elementales distintos. Fue una intuición creciente. Más de dos mil años después seguimos creyendo que esto es cierto, aunque la identidad de las unidades más fundamentales ha sido sometida a numerosas revisiones. En el siglo XIX, los científicos demostraron que muchas sustancias corrientes, como el oxígeno y el carbono, tenían un componente mínimo reconocible; siguiendo la tradición establecida por los griegos, lo llamaron átomo.El nombre permaneció, aunque la historia ha demostrado que era un nombre inapropiado, ya que los átomos son ciertamente «divisibles». A principios de la década de 1930, las obras colectivas de J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr y James Chadwick habían establecido la estructura del sistema solar como un modelo atómico que nos resulta conocido a la mayoría de nosotros. Lejos de ser el material constitutivo más elemental, los átomos están formados por un núcleo que contiene protones y neutrones, rodeado por un enjambre de electrones que describen órbitas alrededor de él.
Durante cierto tiempo muchos físicos pensaron que los protones, los neutrones y los electrones eran los «átomos» griegos. Pero, en 1968, los científicos que realizaban experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center, valiéndose de una capacidad tecnológica cada vez mayor para comprobar las profundidades microscópicas de la materia, descubrieron que los protones y los neutrones no eran las partículas fundamentales. Demostraron que cada una de ellas estaba constituida por tres partículas menores, llamadas quarks -un nombre caprichoso que aparece en un pasaje de Finnegan’s Wake de James Joyce y que fue adoptado por el físico teórico Murray Gell-Mann, quien previamente había intuido su existencia-. Los científicos que realizaron los experimentos confirmaron que los propios quarks existen en dos variedades, llamados, un poco menos creativamente, arriba (up) y abajo (down). Un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo; un neutrón está formado por dos quarks abajo y un quark arriba.
Todo lo que vemos en la tierra y en el cielo resulta estar hecho de combinaciones de electrones, quarks arriba y quarks abajo. Ninguna evidencia experimental indica que alguna de estas tres partículas esté constituida por algo menor. Pero muchas pruebas indican que el propio universo posee otras partículas adicionales. A mediados de la década de 1950, Frederick Reines y Clyde Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de partícula fundamental llamada neutrino, una partícula cuya existencia ya había predicho Wolfgang Pauli a principios de la década de 1930. Los neutrinos resultaron ser muy difíciles de encontrar porque son partículas fantasmas que rara vez interaccionan con otro tipo de materia: un neutrino dotado de una energía media puede atravesar fácilmente muchos miles de billones de kilómetros de
plomo sin que en su movimiento se produzca el más leve efecto. Esto puede tranquilizarle, ya que, mientras usted está leyendo esto, miles de millones de neutrinos lanzados al espacio por el Sol están atravesando su cuerpo y también la Tierra, como parte de su largo viaje a través del cosmos. A finales de la década de 1930, otra partícula llamada muón -idéntica a un electrón, salvo por ser 200 veces más pesada que éste- fue descubierta por unos físicos que estudiaban los rayos cósmicos (lluvias de partículas que bombardean la Tierra desde el espacio exterior). Dado que no había nada en el orden cósmico, ni tampoco un rompecabezas sin resolver, ni un nicho hecho a la medida que necesitara la existencia del muón, el físico de partículas galardonado con el premio Nobel, Isidor Isaac Rabi, saludó el descubrimiento del muón diciendo con muy poco entusiasmo «¿Quién había pedido esto?». Sin embargo, ahí estaba. Y aún vendría más.
Utilizando una tecnología todavía más poderosa, los físicos han continuado juntando a golpes trozos de materia con una energía cada vez mayor, recreando en cada instante unas condiciones que no se habían dado desde el big bang. En los escombros resultantes han buscado nuevos componentes fundamentales, para añadirlos a la lista, cada vez más larga, de partículas. He aquí lo que han hallado: cuatro quarks más, llamados encanto (charm), extraño (strange), fondo (bottom) y cima (top), y un pariente aún más pesado del electrón, al que se ha denominado tau, así como otras dos partículas con propiedades similares a las del neutrino, que se llaman neutrino del muón y neutrino del tau, para distinguirlas del neutrino original, que actualmente se denomina neutrino del electrón. Estas partículas se producen como resultado de colisiones a altas energías y tienen una existencia efímera; no son constituyentes que podamos percibir en nuestro entorno habitual. Sin embargo, tampoco acaba aquí la historia: Cada una de estas partículas tiene como pareja una antipartícula, es decir, una partícula de masa idéntica pero que es opuesta a ella en algunos otros aspectos, como, por ejemplo, su carga eléctrica (así como sus cargas en relación con otras fuerzas de las que hablaremos más adelante). Por ejemplo, la antipartícula de un electrón se llama positrón, y tiene exactamente la misma masa que un electrón, pero su carga eléctrica es +1, mientras que la carga eléctrica del electrón es -1. Cuando se ponen en contacto, la materia y la antimateria pueden aniquilarse mutuamente para producir energía pura; ésta es la razón por la cual la existencia de la antimateria en el mundo que nos rodea es extremadamente poco natural.
Los físicos han observado entre estas partículas una pauta que se refleja en la Tabla 1.1. Las partículas que constituyen la materia se clasifican en tres grupos que, a menudo, se denominan familias. Cada familia contiene dos quarks, un electrón o uno de sus parientes, y además una partícula de la especie de los neutrinos. El tipo de partícula correspondiente en las tres familias tiene propiedades idénticas, salvo en lo relativo a su masa, que se hace mayor a medida que pasamos de una familia a la siguiente. El resultado es que los físicos han comprobado ya la estructura de la materia hasta escalas de alrededor de una trillonésima de metro y han demostrado que todo lo que se ha encontrado hasta ahora -tanto si se encuentra en la naturaleza, como si se produce artificialmente en gigantescos aceleradores de partículas atómicas- consiste en una cierta combinación de partículas de estas tres familias y de sus parejas de antimateria.
Si echamos un vistazo a la Tabla 1.1, nos quedaremos, sin duda, con una fuerte sensación de perplejidad similar a la de Rabi cuando se descubrió el muón. El agrupamiento en familias produce al menos la impresión de algo ordenado, pero surgen innumerables preguntas que empiezan por ¿Por qué ... ?. ¿Por qué existen tantas partículas fundamentales, cuando parece que la gran mayoría de las cosas que se encuentran en el mundo que nos rodea sólo necesitan electrones, quarks arriba y quarks abajo? ¿Por qué hay tres familias? ¿Por qué no una familia o cuatro familias, o cualquier otro número? ¿Por qué tienen las partículas una variedad de masas aparentemente aleatoria? ¿Por qué, por ejemplo, el tau pesa alrededor de 3.520 veces lo que pesa un electrón? ¿Por qué el quark cima pesa cerca de 40.200 veces el peso de un quark arriba? Son unos números extraños, aparentemente aleatorios. ¿Son así por azar, por algún designio divino, o existe una explicación científica comprensible para estas características fundamentales de nuestro universo?
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