Procesos Fundamentales de la Naturaleza
Separar la estructura de la materia, investigar los componentes elementales que la componen, establecer las leyes que rigen las relaciones entre los entes elementales han sido una parte esencial de la estrategia de los científicos en la búsqueda de comprensión de la estructura de la naturaleza.
El siglo 19 fue caracterizado por la maduración de las nociones sobre la estructura atómica de la materia, cualificando y cuantificando las propiedades de los átomos. Durante este periodo, los científicos también comenzaron a explorar la naturaleza de la luz y su relación con la materia, lo que llevó al desarrollo de la teoría cuántica de la luz.
En la primera mitad del siglo pasado, fue develada la estructura del átomo, compuesto por un núcleo macizo cercado por una nube de electrones ambos regidos por las leyes de la mecánica cuántica, teoría que lidia con los fenómenos en la escala atómica y molecular. Este descubrimiento fue un hito importante en la física, ya que permitió a los científicos entender mejor los procesos químicos y físicos a nivel atómico.
El núcleo atómico por su parte, está compuesto por protones y neutrones. Los protones y neutrones son a su vez, partículas compuestas, formadas por partículas aún más pequeñas llamadas quarks.
Tres fuerzas además de la gravitacional actúan sobre esas partículas que componen un átomo:
1 – Electromagnética – Que ocurre entre electrones y protones y entre los propios protones o electrones
2 – Fuerza Fuerte, que mantienen unido el núcleo atómico
3 – Fuerza Debil, que ya había sido identificada en la primera mitad del siglo pasado. Esta última fuerza se manifiesta en los procesos ligados a la radioactividad (emisión de partículas por el núcleo atómico, lo que hace que el átomo emisor se transforme en otro elemento químico) y de fusión nuclear (proceso responsable por la generación de energía al interior de las estrellas y en el cual núcleos atómicos se funden para generar uno más pesado.
Para explicar peculiaridades de procesos en los cuales la fuerza débil está involucrada, el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) fue empujado a conjeturar sobre una nueva partícula el neutrino, sin ninguna prueba experimental para su existencia. Años más tarde, el neutrino fue finalmente detectado en experimentos, confirmando la validez de la teoría de Pauli.
Su motivación fue mantener la validad del principio de conservación de la energía en todos los procesos físicos. Este principio es fundamental en la física y sostiene que la energía total de un sistema aislado permanece constante, independientemente de los cambios que pueda sufrir.
En la primera mitad del siglo, eran dos las herramientas experimentales para explorar la estructura de los átomos y su núcleo:
1 – Colisiones de Partículas en aceleradores, equipamiento que en la época cabían en un pequeño galpón.
2 – choque de rayos cósmicos contra núcleos atómicos de la atmósfera terrestre – esos procesos, que pueden llegar a ser 100 millones de veces más energéticos que los choques obtenidos en el más moderno acelerador de este inicio del siglo, eran detectados con la ayuda de chapas fotográficas especiales, las llamadas emulsiones nucleares.
Usando rayos cósmicos, fueron descubiertos el positrón (la antipartícula del electrón), los muones (electrones pesados) y enseguida de la Segunda Guerra Mundial, el pión (también denominado méson pi). Estos descubrimientos fueron fundamentales para el desarrollo de la teoría de las partículas elementales, que describe la naturaleza y las interacciones de las partículas más fundamentales de la materia.
Enseguida de descubiertos los piones, en 1947, se vio un cambio significativo en las herramientas de investigación utilizadas por los físicos, iniciando allí la época de los aceleradores.
Cuanto más detallado quisiera ser el examen de la materia, mayor la energía que se debería emplear. Este hecho sucede por una relación fundamental de la mecánica cuántica: partículas más energéticas tienen largo de onda menor y por eso son utilizadas para estudiar sus estructuras con mejor precisión. Para analizar dimensiones menores que las de los protones y neutrones la energía requerida exigen aceleradores mucho mayores que aquellos encontrados en un laboratorio universitario.
La era de los grandes aceleradores significó un cambio en el paradigma de cooperación entre los científicos. La complejidad de esas máquinas y sus periféricos, llevó a la formación de grandes laboratorios entre ellos el multinacional CERN. Este laboratorio, ubicado en la frontera entre Suiza y Francia, es el hogar del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo.
A lo largo de la segunda mitad del siglo pasado, la estructura de los protones y neutrones fue separada y sus componentes más elementales, los quarks y gluons fueron identificados – los gluons son partículas responsables por la fuerza fuerte, que mantiene los quarks confinados dentro de protones y neutrones.
Nuevas partículas, los taus, análogos al electrón y al muón, fueron descubiertos conjuntamente con sus respectivos neutrinos. Estos descubrimientos han ampliado nuestra comprensión de la estructura fundamental de la materia y han llevado a la formulación del Modelo Estándar de la física de partículas, que es la teoría actualmente aceptada que describe las partículas elementales y sus interacciones.
La estrategia de colisiones involucrando altas energías es el único acceso experimental que tenemos a la estructura de las partículas.