Ecuación #52: El Modelo Estándar de la Física Moderna

Por Napoleón Cornejo

Feb 09, 2019- 21:50

Ginebra, Suiza. 4 de julio de 2012. 9:00 a.m. El director de CERN, Rolf Heuer, está por iniciar una conferencia histórica transmitida en vivo alrededor del mundo. La comunidad científica global tiene sus ojos puestos en un descubrimiento que concluye casi 50 años de búsqueda por la última pieza de un rompecabezas que lleva siglos en construcción. Ha necesitado de las mentes más brillantes y de un gigantesco colisionador valorado en 6,000 millones de euros. “Lo hemos encontrado”, anuncia Heuer. Los científicos en el salón se ponen de pie y aplauden en éxtasis. Se refiere al Bosón de Higgs. El Modelo Estándar de la Física de Partículas está completo y Peter Higgs, que postuló la existencia de esta partícula en 1964, está entre los presentes, llorando.

Unos 2,400 años antes del anuncio de Heuer, un filósofo griego llamado Demócrito afirmaba que toda la materia estaba compuesta por diminutas unidades indivisibles. Para su escuela de pensamiento (los “atomistas”) estas partículas eran minúsculas, indestructibles y en constante movimiento. Muy adelantado a su tiempo, Demócrito proponía algo que sería confirmado científicamente hasta el siglo 18, cuando los experimentos de Antoine Lavoisier, John Dalton y Amadeo Avogadro en Europa mostraron que cada elemento químico efectivamente parecía estar compuesto por átomos.

Sin embargo, la idea de que el átomo era el componente más fundamental de la naturaleza fue desbancada en 1897 por Joseph John Thomson en Cambridge, Inglaterra. Estudiaba unos misteriosos rayos que se producen aplicando un voltaje entre dos electrodos en un tubo de vidrio conteniendo un gas. Cuando midió las propiedades de estos rayos, notó que eran partículas eléctricamente negativas y más livianas que los átomos. Eran iguales sin importar qué gas usaba. La conclusión era inequívoca: el átomo tiene componentes y no es indivisible. Este objeto, hoy llamado “electrón”, fue la primera partícula subatómica observada por la humanidad.

Eventualmente se encontraron otros componentes. El electrón orbita un núcleo compuesto por protones (positivos) y neutrones (neutros). Cada uno de estos a su vez están compuestos por tres quarks, que no solo tienen carga eléctrica sino también “colores” y “sabores”. Durante todo el siglo XX se fue descubriendo todo un “zoológico de partículas”: neutrinos, piones, kaones, mesones u, mesones (psi), taus y más.

Las fuerzas fundamentales de la naturaleza también resultaron tener sus propias partículas. El electromagnetismo (la luz) es mediado por “fotones”. La fuerza fuerte, que mantiene a los quarks pegados en el núcleo atómico, por “gluones”. Y la fuerza débil, responsable de la radiactividad, por las partículas W y Z. Todas estas fueron confirmadas y observadas en experimentos.

De la mano de todos estos hallazgos vino también una descripción matemática. La teoría para explicar esta maraña de partículas, fuerzas, cargas, sabores y colores es “El Modelo Estándar”. Su ecuación central es un “Lagrangiano”, un tipo de expresión matemática que describe la dinámica de un sistema en todo momento. La fórmula completa del Lagrangiano (L) es extremadamente larga, pero comúnmente se resume así:

L = (¼)FuvFuv + i(psi)D(psi) + h.c. + (psi)yij(psi)(rho)j + h.c. + |Du(rho)|^2 + V(rho)

Esa ecuación es un verdadero tributo al intelecto humano. Describe todas las interacciones fundamentales de la materia con muchísima precisión. Pero mientras se desarrollaba, había algo que no cuadraba. Matemáticamente dejaba sin masa a las partículas. Pero en los experimentos muestran peso. El monumental aporte de Peter Higgs fue encontrar la forma de resolver esa incongruencia. Propuso un campo, mediado por otra partícula, que les provee la masa. Ese “Bosón de Higgs” tomó 48 años en encontrarse y le hizo merecedor del Premio Nobel en 2013.

El Modelo Estándar explica la materia y las fuerzas que conocemos, pero eso es solamente 4 % del universo. El resto, la materia y energía “oscura”, nadie sabe qué es. Tampoco explica la fuerza de gravedad. Así que aunque el camino iniciado en la antigua Grecia por Demócrito ha avanzado mucho, afortunadamente para los que amamos la ciencia, aún está lejos de terminar.

(Para ver la ecuación y explicación completa del Lagrangiano del Modelo Estándar, visite http://52ecuaciones.xyz).

Ingeniero Aeroespacial salvadoreño,
radicado en Holanda.
cornejo@52ecuaciones.xyz

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