La vaca esférica

Publicado el eltrinador

Y después de mucho tiempo los protones desaparecerán (parte 1)

Quizá la idea más preciada de toda la ciencia es que estamos hechos de Átomos. Para la mayoría de aplicaciones en la vida cotidiana solo es necesario saber que estos átomos están compuestos de protones, electrones y Neutrones. Entre ellos, el protón podría pensarse que es la partícula más importante pues representa aproximadamente el 90% de la masa de la materia ordinaria (planetas y estrellas) y hablar del universo sería equivalente a hablar de protones. Sin embargo este puesto privilegiado podría estar tambaleando.

En primer lugar, es conocido que la mayor parte de la masa del universo no corresponde a materia ordinaria sino a un tipo de materia que aún no se ha entendido bien: la materia oscura. Esto relega la importancia de los protones dejándolo, apenas, a representar un 10% de la masa del universo. De la materia oscura podría hablar en otra ocasión.

En segundo lugar, es posible que el protón ni siquiera sea inmortal y que después de algún tiempo, estas partículas tendrán que enfrentarse a la muerte como usted o como yo. Las evidencias de este fenómeno se han intentado recopilar en el observatorio Super-Kamiokande localizado a 1.000 m bajo tierra en una mina abandonada en Gifu, Japón. El observatorio consiste en 50.000 toneladas de agua rodeadas por cerca de 11.000 detectores. La estructura cilíndrica tiene 40 m de alto y 40 m de ancho.

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Piscina del super-kamiokande (vacía) donde se estudia la desintegración del protón.

Pero empecemos desde el principio:

La materia, principalmente, está compuesta por dos tipos de partículas: los Leptones (la familia del electrón) y los Quarks: (la familia del protón)

Dentro de la familia de los Leptones, básicamente podemos destacar tres «tipos» de electrones: el electrón común, el Muón y el Tauón, también los neutrinos (partículas casi sin masa) y finalmente las respectivas antipartículas de todos ellos (espero hablar del concepto de antipartícula en otra oportunidad).

La principal diferencia entre los tres tipos de electrones es su masa. Si le asignamos al electrón masa 1, el muón tiene masa 207 y el Tauón masa 3600.

Las partículas normalmente tienden a trasformarse espontáneamente en otras de menor masa liberando energía pues la masa representa una forma de energía muy concentrada (como explicó Einstein con su ecuación E=mc2).

Así, los Tauones tienden a desintegrarse en forma de electrones, muones y neutrinos y además lo hacen muy rápidamente. La vida media de un Tauón (el periodo de tiempo en el que la mitad de un grupo de partículas se habrán desintegrado) es de tres décimas de billonésima de segundo: 0,0000000000003 segundos. Para hacernos una idea, es más o menos el tiempo que tarda la luz en atravesar el espesor de una hoja de árbol.

A su vez, los muones se descomponen en electrones y neutrinos pero como estos tienen menos masa que los tauones, su vida media es mayor: 2 microsegundos (0.000002 segundos). La luz viajaría 600 metros en este intervalo de tiempo.

Podría suponerse que los electrones, al tener menos masa, quizá vivan un poco más aún y terminen desintegrándose en neutrinos y estos vivan un poco más y terminen desintegrandose en energía pura. Pero las cosas no funcionan así.

Siempre que se trate de partículas (sin considerar antipartículas) los leptones tienen que seguir existiendo. Pueden pasar de una forma a la otra pero no pueden desaparecer por completo. Esta es la ley de conservación del número de leptones (cada lepton tiene número leptonico 1 y si desaparecen, cambiarían su número leptónico a 0). Esta ley, por lo tanto, exige que, al menos, el neutrino tiene que ser inmortal pues no hay leptones con masa menor en el que se pueda transformar.

Pero ¿por qué tiene que ser estable el electrón? ¿por qué no se descompone en Neutrinos? Esta desintegración no viola la conservación del número leptónico.

Los electrones tienen carga eléctrica (de la misma magnitud que los muones y los tauones) mientras que los neutrinos no la tienen (son neutros) . Y resulta que existe también una ley de conservación de la carga eléctrica. La que exige que la carga electrica no puede desaparecer. El electrón es el leptón con carga eléctrica de menor masa y a diferencia de los otros tipos de Leptones que pueden descomponerse en leptones de masa menor y la misma carga, el electrón tiene que seguir existiendo porque su carga tiene que seguir existiendo.

Con respecto a la otra familia de partículas, los quarks, al igual que los leptones, pueden ser de diferentes tipos. Sin embargo hay algunas diferencias de importancia.

Primero, los quarks tienen carga electrica fraccionaria, como por ejemplo +2/3 y +1/3. Además, las integrantes de esta familia de partículas son las únicas que sienten una de las cuatro fuerzas fundamentales: la «fuerza fuerte». Que es tan fuerte, valga la redundancia, que impide que los quarks vivan solos y hace que busquen otros quarks formando partículas más pesadas y de acuerdo a la ley que describe esta fuerza, la cromodinámica, se agrupan en grupos de tres quarks de tal forma que la carga eléctrica completa de esta agrupación es de 0, 1 o 2.

Estos grupos de 3 quarks se llaman bariones. Al igual que los leptones, estos bariones pueden desintegrarse en bariones de masa menor que a su vez se descomponen en otros de masa menor y así sucesivamente. Sin embargo, resulta que también existe una conservación del número bariónico. De manera que la descomposición de un barión debe producir, al menos, otro barión y como con los leptones, el proceso se interrumpe al llegar al barión más liviano.

Los dos bariones con menor masa son el Protón y el Neutrón de manera que todos los demás bariones que existen, espontáneamente se desintegrarán hasta transformarse en protones y neutrones. Así, en condiciones normales, la materia está compuesta por los leptones y bariones de menor masa: electrones, protones, neutrones y neutrinos. De esta manera, protones y neutrones forman los núcleos de los átomos, los electrones giran al rededor de los núcleos y los neutrinos deambulan por el universo casi sin perturbar al resto de partículas.

Los protones tienen carga eléctrica positiva y los neutrones no tienen. Sin embargo, se atraen mutuamente gracias a la fuerza fuerte y dentro del núcleo atómico su interacción es tan fuerte que sus propiedades eléctricas son irrelevantes y sólo se tienen en cuenta sus propiedades de fuerza fuerte. Si la proporción de neutrones y protones dentro de un núcleo atómico es tal que estas dos partículas pueden hacerse «equivalentes» en términos de fuerza fuerte, el núcleo es estable. De lo contrario, es radiactivo y decae en nucleos cada vez más livianos hasta llegar a nucleos estables.

Sin embargo, cuando los neutrones y protones se encuentran en libertad, fuera de un núcleo de un átomo, además de su carga, se puede notar que sus masas son ligeramente diferentes: la masa del protón es 1836 masas del electrón mientras que la del neutrón es 1838.

Como explicamos, debido a que el  neutrón es más pesado que el protón y ambos son bariones, un neutrón libre se desintegrará en un protón. Al hacerlo, emite un electrón que se lleva la carga negativa del neutrón dejando un protón de carga positiva (además de un neutrino con número leptónico negativo). En este decaimiento, entonces,  se conserva la carga ( el neutrón no tiene carga antes del proceso. Después de este el electrón tiene carga -1 y el protón +1  de manera que suman cero junto a la carga cero del neutrino),  el número bariónico (un protón y un neutrón tienen el mismo número bariónico) y el número leptónico (el electrón tiene numero bariónico +1 mientras el neutrino liberado tiene -1 de manera que su suma es cero como lo era antes del proceso).

La diferencia de masas es tan pequeña que el neutrón no decae tan rápido y puede durar unos 12 minutos en libertad.

Así, el protón es el único barión realmente estable pues es el más liviano. Si el barión más estable fuese el neutrón, los protones decaerán liberando neutrinos y anti-electrones de carga positiva (y número leptónico negativo) que se aniquilarán con los electrones y nuestro universo estaría compuesto exclusivamente de neutrones y la vida como la conocemos no sería posible. Hay que dar gracias porque las cosas en nuestro universo son tales que el proton es más liviano.

De esta forma, todo lo que somos depende de que el protón sea estable. Actualmente existen hipótesis que predicen que el protón pueda decaer en neutrinos, antielectrones y luz. Para verificarlas, se podría, o bien, construir superaceleradores de partículas que lleguen hasta energías mucho más altas que las que pueden conseguirse actualmente y así forzar los procesos de decaimiento de los protones o simplemente observar una gran cantidad de protones, como los presentes en el agua del observatorio superkamiokande, mirando si algunos de ellos que decen espontáneamente.

Así, el conocimiento de los procesos de la física de altas energías podría implicar un aspecto de nuestro universo común y corriente: que algún día los protones y electrones se desintegren y el universo como lo conocemos desaparezca ¿Hasta qué punto es estable el protón? ¿En qué consisten estas nuevas hipótesis? y quizá algo más fundamental: Si el número de leptones y bariones se conserva y antes de la creación ellos no existían (por lo tanto estos números eran cero ¿Por qué  ahora existen? (estos números son diferentes de cero) los científicos creen poder dar indicios a esas preguntas observando 50.000 toneladas de agua. Espero explicar eso en la siguiente entrada.

@eltrinador

(Adaptado del ensayo «And After Many a Summer Dies the Proton» de Isaac Asimov (1981))

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