Quarks, leptones y sus interacciones

Quarks, leptones y sus interacciones: ¿cuáles son los componentes fundamentales de la materia?

La sencilla pregunta “¿de qué están hechas las cosas?” ha constituido, desde los primeros filósofos griegos, uno de los motores principales del pensamiento racional de la Humanidad. Hoy día, la respuesta científica a esta pregunta nos sumerge en la física de partículas, que explora las leyes cuánticas de la naturaleza a las escala de longitud más pequeñas accesibles experimentalmente, aproximadamente 10^-18 metros.

          A nuestra escala cotidiana, de metros o centímetros, las sustancias materiales que nos rodean parecen un continuo. Pero descendiendo a escalas del Amstrong (10^-10 metros), se observa que los objetos están compuestos de moléculas, estados ligados de átomos. Un resultado fascinante de la ciencia del siglo XIX es la  comprensión de que toda la materia conocida se reduce a combinaciones de aproximadamente cien tipos de objeto, los átomos de la tabla de Mendeléyev, cuyas regularidades además codifican las propiedades químicas de los elementos correspondientes. Hoy día sabemos que estos átomos no son elementales, indivisibles, sino que están compuestos de electrones con carga eléctrica negativa, que orbitan alrededor de un núcleo cargado positivamente, muy masivo y de tamaño extremadamente diminuto, unos 10^-15 metros. Es más, mientras que los electrones sí que parecen elementales (hasta la escala de distancias que ha sido posible comprobar experimentalmente), los núcleos están compuestos de protones y neutrones, con masas aproximadamente iguales, pero con cargas positiva y neutra, respectivamente. A su vez, los protones y neutrones tampoco son elementales, sino que están compuestos de tres partículas, los quarks, que sí parecen ser elementales (hasta donde ha sido posible comprobar experimentalmente). Las propiedades de protones y neutrones son consecuencia de las de sus quarks componentes. Por ejemplo, la carga eléctrica de valor +1 (en unidades adecuadas) de un protón, proviene de que está compuesto de dos quarks de tipo “up” (con carga eléctrica +2/3 cada uno) y un quark de tipo “down” (con carga -1/3); mientras que la carga nula de un neutrón, se sigue de que está compuesto de un quark de tipo “up” y dos quarks de tipo “down”. Además de por su carga eléctrica fraccionaria, los quarks son partículas peculiares por otros motivos: no existen como partículas libres, sino que necesariamente están confinadas en estados ligados por la interacción de color, que describiremos más adelante.

          Por tanto, la materia ordinaria está compuesta de quarks “up”, “down” y electrones. Además, están los neutrinos (concretamente los de tipo electrónico), que son partículas prácticamente sin masa y que interactúan muy poco intensamente con cualquier otra, por lo que no son componentes de los átomos y objetos ordinarios. Sin embargo, están muy relacionados con las partículas anteriores: un quark down puede transformarse en un quark up emitiendo un positrón (antipartícula del electrón) y un neutrino. Este proceso está mediado por la interacción débil, que describiremos más adelante.

          Los quarks up y down, el electrón y el neutrino electrónico conforman la denominada primera familia de partículas elementales, que componen toda la materia ordinaria que nos rodea. Sorprendentemente, existen otras dos familias de partículas elementales, con una estructura muy similar: la segunda familia contiene dos quarks, denominados de tipo “charm” y “strange” (con cargas eléctricas +2/3 y -1/3, respectivamente, y con interacciones de color), y dos “leptones”: una partícula cargada negativamente denominada el muón (similar al electrón, pero más pesado), y un neutrino muónico con masa casi nula. La tercera familia contiene dos quarks, de tipo “top” y “bottom”, y dos leptones: la partícula tau, cargada negativamente, y el neutrino tauónico. La estructura de cargas e interacciones de la segunda y tercera familia sigue el mismo patrón que la primera, y solo se distinguen en que las masas de sus partículas son mayores. Esto implica que las partículas de la segunda y tercera familias son inestables y se desintegran en una fracción de segundo en partículas de la primera familia. Por tanto, las partículas de las dos familias adicionales no forman parte de la materia estable: para cuando se unen en un estado ligado, como por ejemplo un “átomo de la segunda familia”, se desintegran en partículas de la primera familia, resultando en un átomo ordinario.

          No se conoce ninguna razón fundamental por la que deban existir precisamente tres familias, es un hecho experimental sin explicación teórica conocida. De hecho, sería concebible que existieran más familias, aunque en ese caso algunas de sus propiedades deberían ser distintas: por ejemplo, la masa de los neutrinos correspondientes debería ser extremadamente alta, ya que el estudio de la desintegración del bosón Z (ver más adelante) en el CERN, Ginebra, Suiza, impone cotas muy fuertes al respecto. Este tipo de datos experimentales apoyan la hipótesis más sencilla de que el número de familias de quarks y leptones es exactamente tres.

          Las partículas de materia, los quarks y leptones que hemos descrito, se manifiestan como elementales a las escalas accesibles experimentalmente. Esto no quiere decir que no estén compuestas de otras partículas más pequeñas, pero si sucede, debería ocurrir a una escala de distancia menor que la explorada, 10^-18 metros.

          Para entender cómo las partículas forman estructuras y componen los objetos, es necesario describir sus interacciones. Un enorme éxito de la física ha sido reducir todas las fuerzas de la naturaleza a cuatro interacciones fundamentales, que actúan sobre las partículas elementales. Son la gravedad, la fuerza electromagnética, la interacción fuerte (o de color) y la interacción débil. La gravedad actúa sobre todas las partículas y es siempre atractiva; a nivel de partículas elementales es increíblemente menos intensa que las demás interacciones, pero es acumulativa, por lo que domina la dinámica en el mundo macroscópico. El electromagnetismo describe todos los fenómenos eléctricos y magnéticos, incluida la luz, y en concreto es la interacción que permite a los núcleos y electrones formar átomos, y de forma residual a los átomos formar moléculas mediante el enlace químico. La interacción fuerte es la que mantiene a los quarks unidos formando protones y neutrones, y de forma residual une a éstos en los núcleos atómicos; opera solo a escalas comparables al radio de un protón, 10^-15 metros. La interacción débil es menos intensa que la fuerte o la electromagnética, pero es especial por ser la única interacción que transforma el tipo de partículas que participan en una interacción (como advertimos anteriormente, en la desintegración de un quark down en un up, un positrón y un neutrino); esto es esencial para las reacciones en el corazón de las estrellas en las que núcleos de hidrógeno (protones) se fusionan y forman núcleos de helio (formados de dos protones y dos neutrones, producidos por la transmutación de protones mediante la interacción débil), emitiendo luz y calor, y , en el caso del Sol, posibilitando la vida en la Tierra.

          En el contexto de la física cuántica que rige el comportamiento en esas escalas microscópicas, cada interacción tiene una partícula de fuerza asociada, el “cuanto” del campo correspondiente. La interacción electromagnética tiene asociada una partícula, denominada el fotón, sin masa, que interactúa con las partículas cargadas. La interacción fuerte tiene asociadas ocho partículas denominadas gluones, sin masa, que interactúan con los quarks a través de un nuevo tipo de carga, denominado “color”, que toma tres posibles valores. La interacción de color es casi nula a muy cortas distancias, pero extremadamente intensa a distancias mayores que el radio de un protón, por lo que cualquier partícula con carga de color está confinada en estados ligados: mesones, que son combinaciones de quarks y antiquarks, o bariones (como el protón y el neutrón), que son combinaciones de tres quarks con los tres colores posibles). Por ello, no es posible observar quarks aislados, solo como componentes de estados ligados. Sin embargo, la existencia física de los quarks está completamente establecida, ya que se comportan como partículas esencialmente libres a distancias muy cortas, como se ha comprobado en experimentos de dispersión inelástica profunda (Deep Inelastic Scattering). La interacción débil tiene como mediadoras tres partículas, denominadas bosón Z y bosones W. Estas partículas de interacción son enormemente masivas, del orden de 90 veces la masa de un protón. Esta enorme masa es la razón última de la aparente debilidad de la interacción débil: a bajas energías, la probabilidad cuántica de crear un mediador tan masivo es muy pequeña, lo que resulta en una interacción muy poco intensa. A las altas energías accesibles en los aceleradores de partículas actuales, sin embargo, los bosones Z y W se producen copiosamente, y la interacción débil es tan intensa como la electromagnética (y de hecho, ambas quedan descritas en un marco unificado conocido como interacción electrodébil).

          Las masas de los bosones Z y W, y más en general las de las partículas elementales, están conectadas con un nuevo fenómeno, asociado con el bosón de Higgs, el último ingrediente (por el momento) en la física de partículas. En el contexto de la Teoría Especial de la Relatividad, cualquier tipo de masa corresponde a una energía interna asociada a la partícula. Por ejemplo, la masa del protón corresponde en un 99% a la energía de los campos de color creados entre los quarks que lo componen. Sin embargo ¿qué tipo de energía interna podría corresponder a una partícula elemental, no compuesta? La respuesta radica en el campo de Higgs, una magnitud que llena el espacio vacío de forma homogénea, y que se acopla a cada partícula con una intensidad diferente. Este acoplamiento contribuye a la energía interna de la partícula, de modo que se refleja en una inercia ante el cambio de movimiento, una masa. La masa de una partícula elemental es simplemente una medida de su acoplamiento con el campo de Higgs. La hipótesis del campo de Higgs predice la existencia de una nueva partícula, el cuanto del campo de Higgs, que recibe el nombre de bosón de Higgs. Esta partícula fue descubierta en el colisionador LHC del CERN, Ginebra, Suiza, confirmado la hipótesis del campo de Higgs, y su papel en la explicación de las masas de las partículas elementales. Y enseñándonos una muy importante lección de profundas implicaciones: el vacío no es la nada.

          Las partículas de materia (las tres familias de quarks y leptones), las partículas de interacción (fotón, gluones, y bosones Z y W), y el bosón de Higgs, constituyen el Modelo Estándar (ME), la teoría que actualmente describe los constituyentes últimos de la materia y sus interacciones. Se trata de un logro excepcional para la especie humana, una construcción conceptual que explica todos los fenómenos naturales desde las escalas macroscópicas hasta las efervescentes fluctuaciones en el interior de los protones dentro de los núcleos de los átomos.

          Sin embargo, existe en la comunidad científica una fuerte sensación de que la naturaleza se reserva nuevos ases en la manga, y que los próximos años pueden revelar nuevos tipos de partículas elementales, e incluso nuevos principios sobre su dinámica, más allá del ME. El estudio del cosmos nos revela que la mayor parte de la materia del universo no corresponde a las partículas del ME, sino a un nuevo tipo de partícula que no emite luz y que constituye un fluido cósmico conocido como materia oscura. Las peculiares propiedades del bosón de Higgs sugieren la necesidad de nueva física a escalas alcanzables por el colisionador LHC en los próximos años, en forma de partículas supersimétricas, o de subestructura interna del Higgs, los quarks y/o los leptones. La pequeñísima, pero no nula, masa de los neutrinos observados parece requerir explicaciones que implican nuevos tipos de neutrinos super-masivos y aún por descubrir. Finalmente, el lector atento habrá observado que no hemos mencionado la hipotética partícula de interacción del campo gravitatorio, el gravitón, que aún no ha sido observado experimentalmente. No obstante, la reciente detección de ondas gravitacionales de origen astrofísico por la colaboración LIGO, así como el estudio de la polarización de tipo B del fondo cósmico de radiación de microondas, prometen una mejor comprensión del campo gravitatorio en el futuro. Estos y muchos otros indicios apuntan a que nos estamos asomando a una nueva frontera en la comprensión de las leyes fundamentales del universo.

Ángel M. Uranga Urteaga

Doctor en Física Teórica.

Profesor  de Investigación, Instituto de Física Teórica CSIC.

Conferencia en la Residencia de Estudiantes

Ciclo Física fundamental en clave cuántica

3 de noviembre de 2025

1000 maneras cuánticas de destruir el universo

¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»?

¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»?

Escribo estas líneas un caluroso día de junio en Madrid; todo aquel que haya pasado al menos un día de verano en esta ciudad sabe la tortura que supone salir a la calle pasadas las dos de la tarde: un asfalto tan caliente que se podrían incluso freír huevos en él, un aire tan irrespirable y pesado que se puede hasta cortar con un cuchillo y, además, un sol de justicia bajo el cual te achicharras vivo.

Y es que, digan lo que digan, no hay nada mejor que un día de verano en Madrid para acordarse de todos los procesos de transmisión de calor. El lector interesado puede observar, por ejemplo, la conducción de calor entre el asfalto y el aire que está en contacto con él; también puede estudiar la convección de este aire caliente, subiendo desde el asfalto, impactándole (sin piedad alguna) en la cara, haciéndole sudar. En ambos casos, el calor se transmite en un medio material: bien mediante el contacto entre los dos medios, bien mediante la aparición de corrientes dentro del material en sí.

Por último, no podemos olvidarnos del Sol, y de cómo esta inmensa bola de fuego es la responsable última de este calor (si se apagase, aunque fuese por un rato, a la hora de la siesta…). Sin embargo –a diferencia de los otros dos casos–, el calor del Sol no necesita de ningún tipo de medio material para transmitirse (y hacer reventar el termómetro), sino que calienta los objetos que tiene a su alrededor irradiándolos.

“Muy bien”, podrá decir el lector, “pero esta radiación, ¿de dónde sale? ¿Y qué tiene que ver con las transferencias de calor?”. Para ello, me temo que es necesario hacer un pequeño viaje al mundo subatómico, para tratar de explicar qué está ocurriendo ahí cuando hablamos de “transmisión de calor”: sin más dilación, reduzcamos nuestra escala en un factor de mil millones, a ver qué nos encontramos.

Una vez reducidos a esta escala, podemos fijarnos en los átomos del material: pequeñas bolas que… ¡se mueven! No demasiado, probablemente, pero parece que vibren alrededor de su posición de equilibrio: es esta energía asociada a la vibración de los átomos la que generalmente asociamos a escala macroscópica con la “temperatura” de un cuerpo. Con este modelo, que un cuerpo esté “más caliente” que otro quiere decir que sus átomos vibran más en comparación.

Esta imagen explica bastante bien los procesos de transmisión de calor por conducción: imaginad que ponemos en contacto dos cuerpos, uno muy caliente (átomos vibrando) y otro muy frío (átomos casi quietos). Al ponerlos en contacto, los átomos en la superficie empezarán a “colisionar” entre sí, intercambiando energía en el proceso: los átomos que antes estaban quietos empezarán a moverse (se pondrán calientes), mientras que los átomos que antes se agitaban furiosamente probablemente se agiten bastante menos ahora (en otras palabras, se enfriarán): este proceso ocurrirá hasta que ambos materiales se agiten con la misma intensidad (es decir, que tengan la misma temperatura).

Para procesos de convección el mecanismo es bastante similar: la principal diferencia en este caso proviene del hecho de que estos procesos ocurren principalmente en fluidos, sustancias en las que los átomos tienen una mayor libertad de movimiento. En el caso de fluidos, los cambios en la temperatura suelen venir acompañados de cambios en la densidad, lo cual hace que se produzcan corrientes para redistribuir el fluido en orden de densidades. Estas corrientes mezclan regiones calientes (con átomos vibrantes) con regiones frías (con átomos casi estáticos), las cuales se equilibran entre sí posteriormente mediante procesos de conducción.

Por último, el modelo también es útil para explicar los procesos de emisión de radiación: cuando un átomo vibra no lo hace con velocidad constante, sino que sufre aceleraciones y deceleraciones constantemente: estas aceleraciones afectan a todas las partículas que conforman el átomo, las cuales tienen generalmente carga eléctrica (como el electrón y el protón). La teoría electromagnética predice –sin entrar en mucho detalle– que una partícula cargada que experimenta un movimiento acelerado emitirá radiación electromagnética; los parámetros de dicha radiación (su intensidad y su frecuencia) dependen del movimiento en sí: si la partícula vibra más, tanto la intensidad de la radiación (es decir, cuánto calor emite) como su frecuencia (es decir, en qué tipo de radiación electromagnética lo va a emitir) pueden cambiar.

La radiación de las partículas cargadas, además, se extiende por el espacio. Otra predicción —esta más intuitiva— de la teoría electromagnética es que las partículas cargadas pueden interactuar con los campos electromagnéticos que las rodean, intercambiando energía con ellos. Esto, aplicado a nuestro caso, quiere decir que la energía liberada por una partícula cargada (en forma de un campo electromagnético propagándose en el espacio) puede ser reabsorbida por otras, las cuales no tienen por qué estar en su entorno más cercano.

Por supuesto, también hay muchos otros procesos por los que un material puede emitir y absorber radiación, la mayoría de ellos asociados a transiciones electrónicas. Sin embargo, podemos intentar imaginarnos un sistema en el que eliminamos cualquier otra fuente de radiación. En este caso, la única fuente de radiación posible es la que hemos comentado anteriormente: la proveniente del hecho de que las partículas cargadas se agitan en el interior del material. Es a dicha radiación a la que nos referimos como “radiación de cuerpo negro”.

Sin embargo, el origen del nombre “cuerpo negro” no proviene precisamente de considerar un emisor térmico, sino de otra definición que, a primera vista, no tiene nada que ver; como escribía Kirchoff en 1860 [1]:

La prueba que estoy a punto de ofrecer de la ley anterior asume que se puedan imaginar cuerpos tales que (para espesores despreciables) absorban completamente todos los rayos incidentes, y no reflejen ni transmitan ninguno de ellos. A dichos cuerpos los denominaré como “perfectamente negros” o, más brevemente, “cuerpos negros”.

Esta definición, aunque en apariencia antagónica, resulta equivalente a la imagen que dimos anteriormente: un cuerpo que absorba toda la energía de la radiación, sin reflejar ni transmitir nada, implica que no hay procesos de radiación al margen de los térmicos. La energía de la radiación se convierte, en última instancia, en energía cinética de los constituyentes del cuerpo (si el material no sufre cambios en su estructura interna, por supuesto). El incremento en la energía cinética produce una agitación más intensa de las partículas, provocando una mayor cantidad de radiación térmica liberada al entorno. Dicha radiación tiene dos propiedades características: su dependencia exclusiva de la temperatura y su isotropía. La primera se refiere a que la radiación solo depende de la temperatura a la que esté el cuerpo negro; parámetros como su composición, su geometría, cualquier variable microscópica… son irrelevantes: si conocemos la temperatura del cuerpo negro, conocemos su patrón de emisión de radiación. Por otro lado, con “isotropía” nos referimos a que el tipo de radiación que emite el cuerpo es idéntica en todas las direcciones: da igual por dónde miremos, siempre encontraremos el mismo patrón de emisión tanto en intensidad como en la distribución en frecuencias de la luz.

Ambas propiedades se explican relativamente bien con nuestro modelo: si un material tiene la misma temperatura en todos lados, la energía cinética asociada a la agitación de las partículas tiene que ser la misma en prácticamente todos lados. Como dijimos anteriormente, cada temperatura tiene asociada una “energía cinética promedio” con la que se agitan los cuerpos: como el patrón de radiación depende únicamente de la cantidad de energía disponible de cara a que los componentes del material se agiten, el patrón de radiación debe depender de la temperatura única y exclusivamente. Por otra parte, este movimiento de agitación es aleatorio, y no tiene una dirección privilegiada; por tanto, en promedio se emitirá radiación en todas las direcciones posibles por igual, dando lugar al patrón isótropo de radiación que comentábamos anteriormente.

Otra propiedad extraordinariamente interesante de la radiación de cuerpo negro es su color: aunque parece de perogrullo preguntarse “¿de qué color es un cuerpo negro?”, lo cierto es que el color de un cuerpo negro depende de la temperatura a la que esté: si aumentamos su temperatura, empezaremos a ver que el material pasa de negro a rojo, de rojo a amarillo, de amarillo a blanco y de blanco a… ¿azul? ¿Cómo que azul? La respuesta a esto, en el siguiente capítulo.

 

 

Notas:

[1] «The proof I am about to give of the law above stated, rests on the supposition that bodies can be imagined which, for infinitely small thicknesses, completely absorbs all incident rays, and neither reflect nor transmit any. I shall call such bodies perfectly black, or, more briefly, black bodies». Extraído de “On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat. The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science (Taylor & Francis) 20 (130)”

 

José Ramón Martínez Saavedra.

(En la actualidad)

Doctor en Fotónica.

VP Innovación — Quside Technologies SL

(En el momento de escribir este texto 2016)

Magíster en Fotónica

Doctorando — ICFO-Institut de Ciències Fotòniques

¿Cómo funciona un microscopio electrónico?

¿Cómo funciona un microscopio electrónico? ¿Existen microscopios basados en otras partículas fundamentales?

Desde finales del siglo XVI, la microscopía se ha venido desarrollando como una rama de la ciencia con el fin de proporcionar tecnologías que faciliten la observación y el estudio de objetos demasiado pequeños de ser percibidos a simple vista. A día de hoy, no está del todo claro si la primera “mirada” de la microscopía fue puesta en el firmamento para estudiar esas “pequeñas luces” que allí brillan denominadas "astros" -Galileo Galilei no fue el pionero en la creación del telescopio pero si quien más lo mejoró y publicitó (1)- o en los microorganismos -Antonie van Leeuwenhoek fue pionero en microbiología por sus mejoras en el microscopio (2)-.La microscopía óptica, basada en el uso de luz, lentes y otros componentes ópticos, fue la primera en desarrollarse. Con ella se asentaron buena parte de los fundamentos generales para otras microscopías que también emplean ondas para sondear la materia en la escala submicrométrica. Así, se abrieron las puertas a grandes avances en distintas áreas de la ciencia, desde el estudio de la célula a las propiedades de la luz o la materia. Esto último fue clave para el descubrimiento de ciertas leyes de la física a partir de las cuales han surgido microscopías como la electrónica, permitiendo la visualización y manipulación de objetos en la escala del nanómetro (1 nm = 10^-9 m). A principios del siglo XX, de Broglie (3) enunció el carácter ondulatorio del electrón. La "óptica electrónica" superó las limitaciones de la microscopía óptica en el rango visible (400-700 nm) gracias a que de Broglie relacionó la longitud de onda del electrón con su energía cinética (𝜆_dB=h/p, donde h es la constante de Planck y p el módulo del momento del electrón). De esta forma, acelerando al electrón (i.e. aumentando p) se puede reducir 𝜆_dB varios órdenes de magnitud. Consecuentemente, se pueden lograr aumentos del orden de x10⁶ con una resolución espacial del orden del angstrom (1 Å= 10^-10 m), valores muy alejados de los que ofrece la microscopía óptica tanto en aumentos (~x10³) como en resolución espacial (~200 nm).

A continuación describiremos los fundamentos básicos de las modalidades más relevantes de la microscopía electrónica. Para finalizar, haremos mención a otras microscopías basadas en el carácter ondulatorio de otras partículas.

1        Así funciona un microscopio electrónico

En la actualidad, la microscopía electrónica es una técnica ampliamente extendida para caracterizar formas, dimensiones, superficies y composición química de la materia en la escala del nanómetro. A pesar de compartir fundamentos ondulatorios teóricos con la microscopía óptica, la electrónica  implica una tecnología mucho más compleja. La microscopía electrónica posee principalmente tres modalidades: microscopía electrónica de barrido (en inglés Scanning Electron Microscope, SEM), transmisión (en inglés, Transmission Electron Microscopy, TEM), o de efecto túnel (Scaning Tunelling Microscope, STM). De estas, se derivan a su vez otras modalidades subyacentes como la microscopía electrónica de transmisión en barrido (en inglés, scanning transmission electron microscope) o la microscopía electrónica de reflexión (en inglés, reflection electron microscope).

Históricamente, el primer microscopio electrónico se desarrolló en los años 30 del siglo XX. Ernst Ruska desarrollo en Alemania el TEM  cuyo diseño original mantiene en la actualidad las partes principales. En su origen, el desarrollo del TEM se benefició además de la demostración por Ruska que un electroimán actúa como una lente electrónica. Ambos avances, la capacidad de controlar la energía del electrón (i.e., 𝜆_dB), y de generar un haz de electrones de trayectoria variable, hicieron posible la construcción el primer TEM en 1933. Siemens inicio su comercialización en 1939. De esta manera se inició el estudio de objetos cuyas dimensiones están en la escala del nm, que no ha parado hasta hoy.  En paralelo al desarrollo del TEM, Manfred von Ardenne inventa en 1937 el SEM apoyándose en descubrimientos de Max Knoll, quien también participo en la invención del TEM. El funcionamiento del SEM se basa en el barrido de una región espacial mientras incide un haz de electrones. Así, se puede estudiar superficies en base al análisis de la interacción de los electrones con la superficie, por ejemplo, analizando los electrones secundarios emitidos por los átomos de la superficie. Finalmente, en 1981 Gerd Binnig y Heinrich Rohrer desarrollan el STM, un microscopio electrónico basado en el efecto túnel, un fenómeno cuántico que permite a un electrón atravesar una barrera de  potencial mayor que su energía cinética. Es decir, permitir el paso de una corriente de electrones desde el último átomo de una punta metálica a otro ubicado sobre la superficie de la muestra (metálica o semiconductora). Esto es posible cuando la distancia entre la punta y la muestra es de unos pocos Å  y se aplica una tensión generalmente inferior a tres voltios entre la punta y la muestra (4). De esta forma se pueden obtener imágenes sin precedentes de átomos individuales en superficies con una resolución inferior a 1 Å, tanto lateral como verticalmente. La clave de la sensibilidad STM reside en que la corriente túnel de electrones varía un orden de magnitud por Å de distancia punta a muestra. Pequeñas variaciones topográficas se traducen en grandes cambios de corriente. Debido a la naturaleza del propio efecto túnel, la corriente de electrones que "tunelean" desde la punta hasta los átomos de la superficie sondea orbitales electrónicos de valencia del átomo. Por tanto, la microscopía STM también da información de los orbitales electrónicos, permitiendo describir la estructura electrónica de las superficies. Pero la característica más fascinante del STM es la manipulación de la posición de átomos individuales, variando su ubicación espacial a voluntad (5). Uno de los componentes básicos del STM a los que debe su éxito y avance son los soportes piezoeléctricos sobre los que se montan las puntas. Estos soportes permiten mover la punta con total precisión distancias < 1 Å y mantenerla días con plena fiabilidad. Esta microscopía despierta un interés exclusivamente académico, para estudiar las propiedades de la materia relacionadas con la morfología de superficies, moléculas individuales, propiedades eléctricas y magnéticas de moléculas y átomos individuales, afinidades y enlaces electrónicos de átomos y moléculas individuales, síntesis de nuevos materiales, propiedades electrónicas de materiales topológicos, entre otros temas.

Como se señalaba anteriormente, las microscopías electrónicas (salvo la STM) se benefician de la modulación de 𝜆_dB a través de aumentar el momento del electrón para alcanzar extraordinarios valores de resolución espacial y aumentos. Pero es sin duda, el análisis de los distintos procesos de interacción de un electrón con los átomos de la muestra en estudio lo que marca la mayor diferencia con la microscopía óptica (ver figura 1). Así, las microscopías SEM y TEM son las técnicas de caracterización estructural y composicional de nanomateriales más empleadas tanto por científicos como por  ingenieros. Ambas tienen similitudes y diferencias en su tecnología. Las similitudes son en cuanto al uso de fuentes de electrones para generar el haz, lentes electromagnéticas para focalizarlo en una determinada ubicación espacial de la muestra, y sistemas de vacío (vacío más alto para TEM) para minimizar la desviación del haz a fin de mejorar la nitidez de la imagen. Por un lado, la generación del haz de electrones emplea habitualmente filamentos de tungsteno o dispositivos de efecto campo con el fin de crear haces de electrones coherentes que mejoren el contraste de la imagen. Tras la generación del haz de electrones en la fuente, se les somete a un alto voltaje con respecto a la muestra para dotarles de un momento p definido. Estos valores de voltaje suelen ser de unos  ~100 kV para un TEM estándar hasta 200 kV para un TEM de alta resolución. En el caso del SEM, el voltaje aplicado es inferior a los 40 kV. Por otro lado, las lentes electromagnéticas se basan en la fuerza que ejerce un campo magnético sobre una carga eléctrica que se mueve con una determinada energía cinética F͞ = q𝜈͞ x B͞  . También, los campos eléctricos pueden deflectar un ángulo fijo la trayectoria de un electrón. La aplicación de una fuerza magnética y/o eléctrica permite desplazar lateralmente la trayectoria de un haz de electrones para focalizarlo en una posición especial determinada. Para ello, se requiere que la muestra esté en un vacío cuya presión típica oscile entre 10^-4 y 10^-8 Pa. La necesidad de vacío en la cámara de la muestra limita consecuentemente tanto el modo de introducir las muestras como su preparación. Así por ejemplo, las muestras biológicas (que poseen un gran contenido en agua) requieren ser inmovilizadas en resinas plásticas (fijación química, intercambio de agua e inclusión en resina) o ser preservadas en frío (crío-fijación) para no alterar las condiciones de vacío.

Por el contrario, los SEM y TEM poseen grandes diferencian en cuanto al tipo de muestras que pueden estudiar y a su preparación. Por un lado, las muestras SEM  han de ser conductoras o de lo contrario ser metalizadas para evitar acumulación de electrones (carga) lo cual altera la calidad de la imagen. Por otro lado, las muestras TEM pueden ser cualquier tipo de muestras amorfas, cristalinas, biológicas, etc. Su única condición es que el espesor ha de ser ultrafino (inferior a 500 nm) para permitir la transmisión de electrones a través. También, las técnicas de visualización de imágenes son distintas para el SEM y TEM ya que analizan diferentes procesos de interacción electrón-materia (ver figura 1), sean relacionados con la transmisión (TEM) o con la difusión (SEM) del electrón sobre la muestra. Así, el TEM proporciona imágenes de mayor resolución (hasta 3 Å cuando la aberración esférica de tercer orden está corregida (6)) que son una proyección bidimensional generada por la superposición de las funciones de ondas de los electrones que atraviesan la muestra. Sin embargo un SEM proporciona imágenes tridimensionales de la superficie pero con una menor resolución espacial (~10 nm). A los correspondientes sistemas de visualización SEM y TEM, se les puede complementar con otro tipo de análisis (rayos X, catodoluminescencia, pérdidas de energía del electrón, procesos Auger, electrones secundarios, etc.…) que proporcionan valiosa información sobre la muestra (composición química, número atómico, estado electrónico). En la actualidad, la gran revolución ha llegado de la mano de los detectores directos de electrones, que han permitido la toma de datos con mucha menor intensidad del haz y mejor contraste. Tradicionalmente, los histogramas o imágenes de SEM y TEM se han venido haciendo en blanco y negro, porque la técnica elimina los matices cromáticos. Recientemente se ha logrado la manera de colorear dichas imágenes empleando un detector que captura los electrones que devuelven los iones en color (7). También, por el avance informático que permite controlar y analizar imágenes en las que se combinan imágenes morfológicas con "mapeados" de la muestra en relación a distintos análisis (por ejemplo, presencia de un elemento químico). La llegada de las cámaras CCD y la mejora en la informática permitió la automatización de los procesos de visualización de imágenes y de control de los componentes del microscopio.

(pinchar en la imagen para aumentar)

Figura 1: Representación esquemática de las distintas modalidades de interacción de un haz de electrones y la materia.

2        Otras microscopías basadas en otras partículas fundamentales

Como hemos mencionado anteriormente, la microscopía electrónica se basa en el carácter ondulatorio del electrón para el análisis de la materia. No existen otras microscopías alternativas basadas en el carácter ondulatorio de otras partículas fundamentales con carga por la dificultad en las condiciones de su generación  y la imposibilidad de desarrollar fuentes (estas partículas se generan típicamente en instalaciones de alta energía). Sin embargo, si ha sido posible desarrollar microscopios que emplean haces de partículas más pesadas, como son los iones de gases nobles (He, Ne, Ar), moléculas de hidrogeno (H₂) o mezclas de ambos. La invención de la microscopía de iones de campo (en inglés, Field Ion Microscopy, FIM)  por  Erwin Wilhelm Müller en 1951 permite analizar superficies con una metodología similar a la del SEM (análisis de electrones secundarios). Sin embargo, su resolución espacial (< 3 Å) es dos órdenes de  magnitud superior gracias a que la longitud de onda de los iones es más corta que la de los electrones. Otra de sus ventajas respecto al SEM es que la muestra no requiere ser un conductor eléctrico. Las generalidades del funcionamiento de un FIM son similares a las de un SEM, variando la fuente de ondas (iones), la refrigeración de muestra (a temperaturas entre 10 y 150 K) que está colocada en un soporte redondeado (de radio entre 10 y 100 nm) y el sistema de visualización de la superficie de la muestra que incluye placas con microcanales para amplificar la señal de los iones dispersados. La versión más avanzada del FIM es la que emplea iones de He comercializado desde 2007 (8) debido a que los iones de He no alteran la muestra en estudio por la ligera masa del He. Finalmente, mencionar que si bien la microscopía óptica se basa en luz visible, luz de alta energía como son los Rayos X (con longitudes de onda 2-4 nm, cien veces más pequeña que la luz visible) ofrece una resolución espacial del orden de los 30 nm. En 1950, Sterling Newberry desarrolló el primer microscopio de rayos X que fue comercializado por General Electrics. A día de hoy, se han realizado versiones que permiten un barrido de la muestra (en inglés, Scanning X-Ray microscope)  y se benefician de las cámaras CCD y el avance de la informática para el control del microscopio, y el análisis de imágenes.

Notas:

1. Gribbin, John (2006). Historia de la ciencia. 1543-2001. Crítica, p. 82.

2. Finlay BJ1, Esteban GF. Int Microbiol. 2001 Sep;4(3):125-33.

3. Louis Victor de Broglie, RECHERCHES SUR LA THÉORIE DES QUANTA (Ann. de Phys., 10^e  série, t. III  (Janvier-Février 1925).

4. Gerd Binnig and Heinrich Rohrer" Scanning tunneling microscopy—from birth to adolescence" Rev. Mod. Phys. 59, 615 – Published 1 July 1987.

5. Famosa es la imagen de STM con el texto "IBM" que escribieron con átomos  individuales los descubridores del STM mientras trabajaban en el Centro de Investigación IBM en Zürich (Suiza).

6. La aberración esférica es el óptico por excelencia en la limitación de la resolución espacial  del TEM y SEM.

7. Adams, Stephen R. et al., Cell Chemical Biology, Volume 23, Issue 11, 1417-1427

8. Orion Helium Ion Microscope, ZEISS Group

Francisco José Terán Garcinuño.

Doctor en Ciencias Físicas.

Investigador en iMdea Nanociencia.

¿Qué es el bosón de Higgs?

¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Por qué ha tenido tanta repercusión su descubrimiento experimental?

El día 4 de Julio de 2012 Fabiola Gianotti y Joe Incandela, portavoces de las colaboraciones experimentales ATLAS y CMS respectivamente, anunciaron el descubrimiento de una partícula que tenía todas las propiedades para ser el bosón de Higgs. Pero, ¿qué es el bosón de Higgs?

         

          En los años 60 se empezó a formar un modelo dentro del marco de la teoría cuántica de campos para explicar las interacciones fundamentales de las partículas elementales. Dicho modelo es conocido hoy en día como Modelo Estándar (ME) de las interacciones fundamentales. Por aquel entonces no se sabía por qué ciertas partículas tenían masa y otras permanecían sin ella. Para dar explicación a este hecho, los físicos Peter Higgs, François Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl R. Hagen y Tom Kibble formularon de manera independiente un mecanismo mediante el cual solucionaban el problema de la masa. Dicho mecanismo se conoce como mecanismo de Higgs y sería el responsable de otorgar masa a las partículas que componen el ME. Asociado a este campo existiría una partícula que podría ser detectada en aceleradores de partículas, hablamos por tanto del conocido como bosón de Higgs. Una partícula con características muy similares a las de dicho bosón es lo que fue encontrado en el CERN por las colaboraciones ATLAS y CMS.

1        Mecanismo de Higgs.

          Debido a los avances en la física en el siglo XX tanto a nivel teórico como a nivel experimental, los físicos de partículas de aquel tiempo vivieron momentos muy emocionantes. Una plétora de partículas y nuevas interacciones aparecieron en los resultados experimentales y la necesidad de una explicación teórica se hizo fundamental para el entendimiento de la Naturaleza. Tras arduo trabajo por parte de los científicos de la época quedó claro que el modelo de partículas elementales seguía las pautas asociadas a ciertas simetrías. Estas simetrías se asociaron a las interacciones fundamentales que eran observadas entre las partículas. Todo ello quedó enmarcado dentro de lo que hoy día se conoce como ME de las interacciones fundamentales. Este modelo contiene seis leptones (entre los que se incluye el bien conocido electrón) y seis quarks (los protones y neutrones son partículas compuestas de quarks). Tanto quarks como leptones entran dentro de lo que llamamos fermiones, que son las partículas que conforman la materia que conocemos. El secreto del ME radica en clasificar todas estas partículas de acuerdo a cómo se comportan con respecto a ciertas simetrías. Estas simetrías están asociadas a las interacciones que existen entre las partículas, por tanto si una partícula permanece invariante bajo una transformación de una determinada simetría se debe a que no sentiría el efecto bajo esa interacción. Dichas interacciones son la interacción fuerte, la débil y la electromagnética, estas dos últimas relacionadas entre sí en una simetría mayor llamada electrodébil. Todas ellas tendrían asociadas diferentes partículas, conocidas como bosones mediadores, que serían las responsables de dichas interacciones. El responsable de la fuerza fuerte es el gluon, una partícula sin masa y que tendría 8 versiones diferentes. Los responsables de la fuerza débil son los bosones cargados W^± y el bosón neutro Z que tienen un peso de aproximadamente de 80 y 90 veces la masa de un protón, mientras que el responsable del electromagnetismo es el fotón, partícula también sin masa.

          Sin embargo, no se explicaba desde la formulación matemática de dichas interacciones la aparición de la masa de las partículas. En los años 60 de manera totalmente independiente tres grupos de investigación formados el primero por Robert Brout y François Englert, el segundo por Peter Higgs y el tercero por Gerald Guralnik, Carl R. Hagen y Tom Kibble, formularon un mecanismo a través del cual las partículas adquirirían masa. Este mecanismo, conocido popularmente como mecanismo de Higgs, consiste en un campo que permea todo el espacio, como ocurre con el campo electromagnético. Así pues, todas las partículas en presencia de dicho campo sentirían una fricción debido a su interacción con él. Cada partícula interaccionaría de una manera diferente con este campo, es decir, sufriría diferente grado de fricción. La masa de cada partícula, por tanto, correspondería a esta fricción y la diferencia de masas entre las partículas dependería de la manera en la cual interaccione  con dicho campo.

          Matemáticamente hablando, el mecanismo de Higgs consiste en la formulación de un campo, el campo de Higgs, que de manera espontánea rompería una de las simetrías del ME, la simetría electrodébil, provocando así el hecho de originar masa a las partículas. Anterior a dicha ruptura, los términos de masa de las partículas no respetaban dicha simetría, por lo tanto solo cuando ésta está rota, las partículas pueden adquirir masa.

         

2        El bosón de Higgs.

          Una vez hablado del mecanismo de Higgs podemos preguntarnos, ¿y el bosón de Higgs dónde aparece aquí? Pues bien, asociado al campo de Higgs aparece una partícula escalar que es producida cuando dicho campo se excita, esta partícula es la conocida como bosón de Higgs. Al igual que las excitaciones del campo electromagnético dan lugar al fotón, cualquier excitación producida en el campo de Higgs daría lugar al bosón de Higgs. Matemáticamente si atendemos a la explicación anterior, el campo de Higgs presenta cuatro grados de libertad. Una vez que rompe la simetría electrodébil tres grados de libertad van a parar a los bosones Z, W⁺ y W^- , por lo que quedaría un grado de libertad extra correspondiente a lo que conocemos como bosón de Higgs. De esta peculiaridad se dieron cuenta Brout, Englert y Higgs cuando formularon sus investigaciones acerca del mecanismo de Higgs. Ésta es la razón por la que en 2013 la academia sueca otorgase el premio Nobel de física a Peter Higgs y a François Englert solamente (Brout había fallecido en 2011).

          Una vez formulado el mecanismo de Higgs, con la consecuente aparición del bosón de Higgs, el ME de las interacciones fundamentales quedaba prácticamente resuelto. Desde ese momento todos los esfuerzos tanto teóricos como experimentales se enfocaron en descubrir a tan escurridiza partícula. Por la parte teórica las propiedades de dicho bosón fueron estudiadas en relación a sus interacciones con las demás partículas del ME. Debido a su formulación matemática, uno de los parámetros físicos que definen el campo de Higgs permanece libre, por lo que en principio era imposible predecir qué masa tendría el bosón asociado al campo. Esto suponía un problema a la hora de buscar el bosón de Higgs en los experimentos, pues cualquier rango de masa era posible. Sin embargo, era fácil poder calcular la interacción de dicho bosón con las diferentes partículas elementales una vez que la masa de éste era conocida, por lo tanto los físicos teóricos solo podían dar resultados acerca del bosón en función de la masa de éste. A pesar de parecer una situación poco halagüeña se pudo extraer información muy importante acerca de sus propiedades. Una de las más importantes era que si el bosón de Higgs era producido en un experimento automáticamente se desintegraría en partículas del ME. La probabilidad de desintegración en las diferentes partículas dependería como hemos dicho anteriormente de la masa del bosón, sin embargo, una cosa estaba clara, para descubrirlo habría que mirar los productos de desintegración de éste.

          Es notable el hecho de que teorías que van más allá del ME mantienen el mecanismo de Higgs presente para otorgar masa a las partículas, tal y como ocurre por ejemplo en el caso de las teorías supersimétricas. En dichos modelos, el bosón de Higgs puede diferir en las propiedades con respecto a las que aparecen en el ME y muchos estudios se han centrado en éstas. Por ejemplo, un gran adelanto que presentan las teorías supersimétricas con respecto al ME es el hecho de que el rango de masas está acotado de una manera más precisa.

          Por la parte experimental la mayoría de aceleradores de partículas se han dedicado a buscar el bosón de Higgs entre otras muchas búsquedas. Los aceleradores LEP y Tevatron buscaron con ahínco dicha partícula consiguiendo poner ciertas cotas al rango de masas donde poder encontrarla. Por tanto, toda la expectación de su descubrimiento se centró en el gran colisionador de hadrones (LHC) que se estaba construyendo en el CERN en el que todos los físicos depositaron sus esperanzas para encontrar el bosón de Higgs, la única partícula que faltaba del conocido ME.

3        El descubrimiento del bosón de Higgs.

          El LHC es un gran acelerador de partículas que colisiona protones para poder, mediante dichas colisiones, estudiar las diversas interacciones que se dan en el ME. Entre dichas interacciones los estudios teóricos preveían la presencia del bosón de Higgs y tras dos años de recogida de datos a una energía en el centro de masas de 7 y 8 TeV (Teraelectronvoltios) [1], desde 2010 a 2012, los resultados acerca del bosón de Higgs fueron expuestos por los portavoces de las dos colaboraciones experimentales ATLAS y CMS que operan en el LHC. Una partícula que se asemeja al bosón de Higgs fue descubierta con una masa de 125 GeV (aproximadamente 125 veces la masa de un protón). Dicho descubrimiento se realizó a través de los canales de desintegración del bosón de Higgs en partículas del ME como fue predicho por los físicos teóricos. El LHC, dado que es un colisionador de protones, produce una gran cantidad de gluones que serían los principales responsables de producir el bosón de Higgs. Una vez producido como hemos visto anteriormente éste se desintegraría en partículas del ME. En particular fue observado en tres canales, desintegración en dos fotones, en dos bosones Z y en dos bosones W. Dichos modos de desintegración se habían detectado con unas condiciones estadísticas adecuadas que nos asegurasen un descubrimiento [2]. Además el estudio de los diferentes canales de desintegración, no solo aquellos que involucraban fotones, y bosones W y Z, coincidía con bastante exactitud a lo predicho por el ME para dicha masa.

          La repercusión mediática fue muy importante, medios de todo el planeta, y en todas las plataformas de información dieron buena cuenta de ello y la noticia acerca de su descubrimiento dio la vuelta al mundo en poco tiempo. Al año siguiente de este gran acontecimiento, en el 2013, se les concedió el premio Nobel a Peter Higgs y François Englert por su predicción teórica acerca de esta partícula.

          La partícula que cerraba el círculo del ME se había descubierto. Por fin, dicho modelo se había completado y la última pieza del puzle encajaba perfectamente con todo lo anterior. Sin embargo, diversas observaciones experimentales y resultados teóricos nos hacen pensar a los físicos que debe haber física más allá del ME y que probablemente el bosón de Higgs pueda estar relacionado con dichos fenómenos. Así pues, el descubrimiento del bosón de Higgs ha dado un vuelco a la física de partículas y abre nuevas puertas a las investigaciones tanto teóricas como experimentales para estudiar las implicaciones que tendría esta partícula en nuevos modelos.

Notas:

[1] El electronvoltio (eV) es una unidad de energía. En física de partículas energía y masa están relacionadas mediante la ecuación E=mc² y por tanto el eV es usado como unidad de masa. Por ejemplo, un electrón tiene una masa de 500 .000 eV=0,5 MeV y un protón aproximadamente 1.000.000.000  eV=1 GeV. Un teraelectronvoltio (TeV) equivale a 1.000.000.000.000 eV.

[2] En física de partículas uno puede decir que existe un descubrimiento cuando tiene una estadística suficiente para poder estar seguro con una probabilidad del 99,99994%, lo que se conoce como 5 sigmas y que equivale a equivocarse en una sobre 3.500.000.

Víctor Martín Lozano

Doctor en Física.

Investigador Instituto de Física Corpuscular (IFIC-CSIC-UV).

(En el momento de escribir este texto)

Investigador Postdoctoral en la Universidad de Bonn y en el Centro Bethe de Física Teórica.

¿Qué son los neutrinos?

¿Qué son los neutrinos? 

Los neutrinos son partículas fascinantes que ostentan varios «records». Por ejemplo, son las partículas de materia más ligeras que se conocen. Son también, por lo que sabemos, las partículas de materia más abundantes del universo, solo superadas en número por las partículas de luz, los fotones. Y son las partículas conocidas más difíciles de detectar, ya que interaccionan muy poco con la materia, razón por la cual se tardó mucho en descubrirlas, a pesar de su abundancia. Pensemos que los neutrinos atraviesan la Tierra sin inmutarse (y lo mismo harían con muchos millones de Tierras puestas en hilera). Todos estos records pueden servir para otorgar a los neutrinos el título de "partículas más escurridizas". Pero ¿por qué existen los neutrinos y a qué se deben sus enigmáticas propiedades? Antes de profundizar en ello, hagamos un poco de historia.

Queridos señoras y señores radiactivos!!!

La existencia de los neutrinos fue predicha por el gran físico austriaco Wolfgang Pauli en 1930. Pauli observó que en la desintegración de ciertos núcleos radiactivos se producía la misteriosa desaparición de una pequeña cantidad de energía, contradiciendo aparentemente el principio de conservación de la energía. Para resolver el problema, Pauli propuso que, en esas desintegraciones, además de los productos de la desintegración visibles, se producía una partícula indetectable y desconocida que se llevaba la energía que faltaba. En 1934 Fermi bautizó la partícula con el nombre de neutrino. Y hubo que esperar hasta 1956 para que fuera detectada por vez primera.

Fermi, Heisenberg y Pauli.

Con el paso de los años hemos aprendido mucho acerca de los neutrinos, aunque aún quedan aspectos esenciales por aclarar. Los neutrinos, que se suelen denotar por la letra griega n ("nu"), son partículas sin carga eléctrica. Su única interacción conocida, aparte de la gravitatoria, es la llamada interacción débil (ver capítulo 46). Existen tres tipos de neutrinos, llamados neutrino electrónico (n_e), neutrino muónico (n_μ) y neutrino tauónico (n_τ). Estas denominaciones hacen referencia a la partícula cargada (electrón, muón o tau) con la que establecen interacciones. El último neutrino en ser detectado fue el tauónico, n_τ, en el año 2000; si bien su existencia ya había sido puesta de manifiesto en los años 70. Se podría pensar que puede haber otras especies de neutrinos aún por descubrir, pero no es así. A partir de resultados de aceleradores de partículas se han reunido pruebas convincentes de que no hay más tipos de neutrinos. Mejor dicho, si los hubiera, deberían ser radicalmente distintos de los conocidos.

Los tres tipos de neutrinos son muy ligeros. De hecho, hasta 1998 no había pruebas de que tuvieran masa. Desde entonces sabemos que la tienen, pero no sabemos cuál es, solo ciertos límites entre los que esta tiene que encontrarse. Concretamente, el neutrino más pesado ha de ser entre un millón y cien millones de veces más ligero que el electrón (la siguiente partícula más ligera).

Hablemos un poco de las fuentes de neutrinos en la naturaleza. La mayor parte de los que llegan a la Tierra provienen del Sol, y en cantidades extraordinarias. Ahora mismo usted está siendo atravesado/a, sin notarlo, por cientos de billones de estos neutrinos por segundo. Los neutrinos solares, que no se detectaron hasta 1968, se producen en los procesos de fusión nuclear que tienen lugar en el interior de nuestra estrella. Dichos procesos son complicados, pero en definitiva lo que hacen es convertir protones (o sea núcleos de hidrógeno) en núcleos de helio (formados por dos protones y dos neutrones). Esquemáticamente, por cada cuatro protones se produce un núcleo de helio más dos positrones (electrones positivos), dos neutrinos electrónicos y radiación electromagnética. La radiación producida es la fuente de la luz y el calor que nos llega del Sol. Curiosamente, cada fotón de luz generado tarda cientos de miles de años en salir del Sol, ya que sigue una trayectoria errática al colisionar con las partículas cargadas que encuentra en su camino (protones, núcleos de helio, electrones, ...). Si el horno nuclear de fusión, que es en definitiva el corazón del Sol, se apagara, tardaríamos esos cientos de miles años en notarlo. Sin embargo, los neutrinos escapan instantáneamente del Sol, ya que apenas interaccionan con nada en su camino.  Y es gracias a ellos que sabemos que el interior del Sol está a pleno funcionamiento.

Los neutrinos se producen también copiosamente en las explosiones de estrellas (supernovas), y están presentes en los rayos cósmicos que llegan a la Tierra desde el espacio exterior. Por otro lado, son emitidos por todos los núcleos radiactivos que experimentan "desintegración beta" (emisión de un electrón), y se generan asimismo, en cantidades enormes, en las centrales nucleares. Estos últimos escapan de la central nuclear sin problemas pero no son peligrosos, ya que nos atraviesan sin producir el menor efecto. Finalmente, los neutrinos fueron producidos en cantidades extraordinarias al comienzo del universo, en los primeros segundos después del Big Bang. Esos neutrinos primigenios son de hecho los más abundantes en el universo. Sin embargo, son tan poco energéticos que aún no han podido ser detectados. Su descubrimiento es difícil y supondría una gran noticia ya que nos proporcionarían información directa de los primeros instantes tras la gran explosión.

Hasta ahora hemos descrito las propiedades más llamativas de los neutrinos. Pero ¿por qué son así? Para atacar esta cuestión conviene explicar cómo encajan los neutrinos dentro del llamado Modelo Estándar (ME) de la física de partículas, que es el esquema teórico del que disponemos para describir la fenomenología de las partículas elementales (hasta ahora con gran éxito).

En primer lugar, hay que decir que, hasta donde sabemos, los neutrinos son partículas verdaderamente elementales, o sea, no están compuestas de otras partículas. Solo 12 partículas de materia forman este grupo selecto. El protón y neutrón (los habitantes de los núcleos atómicos) no pertenecen a este grupo, ya que están compuestos de otras partículas llamadas quarks. Un protón esta hecho de dos quarks de tipo u (up) y un quark de tipo d (down). Podemos escribir p=uud. De la misma forma, la composición de un neutrón es n=udd. Pues bien, el neutrino electrónico, n_e , junto al electrón, e,  y los quarks u y d, forman la llamada primera familia de partículas elementales (o familia del electrón):

                          n_e                              u

                          e                              d

Existen otras dos familias de partículas elementales, totalmente análogas a la primera: la familia del muón (μ) y la del tau (τ); de forma que en total tenemos las 12 partículas mencionadas. El muón y el tau son prácticamente idénticos al electrón en todas sus propiedades, excepto en su masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón, y el tau unas 3.500. Cada uno tiene su familia completa, formada por un neutrino (n_μ y n_τ, respectivamente) y una pareja de quarks (c, s para el muón, y t, b para el tau). De hecho, cada familia es una réplica casi exacta de la anterior, excepto que las masas de sus partículas son mayores. Nadie sabe por qué la naturaleza se presenta en esta estructura de tres familias con una  jerarquía de masas. El ME no lo explica, sino que parte de este hecho. En ese sentido, el por qué de la existencia de los neutrinos es un misterio, tan grande como la existencia de cualquier otra partícula elemental. Sin embargo, hay que decir que, dada la existencia del electrón y sus interacciones débiles, la estructura matemática del ME exige la existencia de una partícula con las características del neutrino electrónico, n_e. Y lo mismo sucede para las otras dos especies de neutrinos, n_μ y n_τ. Así que, en cierto modo, la teoría explica la existencia de los neutrinos y algunas de sus características, como su ausencia de carga eléctrica y sus interacciones débiles. ¿Y su masa? ¿Por qué es tan pequeña?

Desde el punto de vista teórico el origen y la pequeñez de la masa de los neutrinos es quizá la cuestión más interesante acerca de ellos, y está aún sin resolver, aunque hay modelos teóricos muy interesantes que podrían explicarla. De entrada hay que decir que el ME no da ninguna pista sobre las masas de los neutrinos. De hecho, según la formulación original de esta teoría los neutrinos deberían ser exactamente partículas sin masa, debido a la conservación de una cantidad llamada número leptónico (parecida en cierto modo a la conservación de la carga eléctrica). Sin embargo, desde 1998 sabemos que los neutrinos tienen masa, lo que obliga a una reformulación del ME, lo cual es de por sí muy interesante. En realidad, no es difícil extender el esquema teórico del ME de forma que, incluso manteniendo la conservación del número leptónico, las masas de los neutrinos sean distintas de cero. Pero entonces se plantea el problema de por qué son tan excepcionalmente pequeñas. Parece lógico pensar que debe haber alguna razón teórica detrás de esa pequeñez tan extrema.

Una forma alternativa de pensar es suponer que el ME es una teoría efectiva, válida solo hasta una cierta energía, digamos L, muy por encima de las energías accesibles en los aceleradores de partículas más potentes. Si la teoría completa, que está más allá del ME, viola la conservación del número leptónico, entonces los neutrinos pueden tener masa. Cuanto más grande sea L, más pequeña será la masa de los neutrinos (ya que los efectos de dicha violación están más lejanos). Los cálculos indican que si L » 10¹⁴ veces la masa de un protón, entonces la masa de los neutrinos estaría de forma natural en el rango observado. Si este esquema es correcto, la extrema pequeñez de las masas de los neutrinos nos está informando de física más allá del ME, y sugiriendo algunas de sus características: la no-conservación del número leptónico y la gran escala de energías a la que se encuentra. Para comprobar este esquema, hay que verificar experimentalmente que los neutrinos violan la conservación del número leptónico, algo que se está intentando en experimentos que buscan la denominada desintegración doble-beta de ciertos núcleos atómicos (todavía sin éxito). Así que, si este argumento es correcto, los neutrinos podrían ser los mensajeros privilegiados de la física fundamental que se encuentra a altísimas energías, inaccesible por cualquier otro procedimiento.

Para terminar, vamos a discutir un fenómeno extraordinario, que está en el corazón de todo lo que hemos aprendido sobre los neutrinos en los últimos años: las oscilaciones de neutrinos. Como hemos explicado, existen tres tipos de neutrinos: n_e, n_μ y n_τ.  En la jerga de los físicos, estas especies se denominan "sabores" de los neutrinos. Sin embargo los neutrinos físicos, que tienen una masa determinada (aunque aún desconocida), no se corresponden con estos tres sabores, sino que son una mezcla de ellos. Este es un concepto difícil, que entronca con los postulados de la mecánica cuántica, según los cuales una partícula puede estar en una combinación de estados. Imaginemos que tenemos tres botellas llenas de zumo de naranja, de limón y de fresa, respectivamente. Estas botellas representan los tres neutrinos n_e,  n_μ y n_τ.  Ahora tomamos tres botellas vacías y las llenamos con las tres anteriores pero mezclando los zumos. Estas nuevas botellas, llenas de tres "cócteles" distintos representarían los neutrinos con masa bien determinada, que se suelen denotar  n_1,  n₂ y n_3. Estos últimos son los que permanecen estables mientras se propagan, mientras que los otros van cambiando de naturaleza (un resultado de la mecánica cuántica). Esto significa que si creamos un neutrino electrónico, n_e, por ejemplo en el interior del Sol, al cabo de un tiempo existirá una cierta probabilidad de que al detectar dicho neutrino nos encontremos que se ha transformado en n_μ o n_τ. Para que este fenómeno se dé, es necesario que los neutrinos tengan masas y que estas sean diferentes entre sí. Este es el fenómeno de oscilaciones de neutrinos que fue observado por vez primera en los neutrinos provenientes del Sol y en los que se crean en la atmósfera como resultado del impacto de rayos cósmicos ("neutrinos atmosféricos"). De esta forma se han podido determinar las diferencias de masa entre los neutrinos (aunque no su masa absoluta) y los llamados "ángulos de mezcla", que determinan como se mezclan los neutrinos (el contenido de los cócteles anteriores).

En definitiva, sabemos mucho acerca de estas partículas singulares, pero aún quedan cosas trascendentales por entender, las cuales podrían darnos pistas cruciales sobre la teoría última de la naturaleza.

Alberto Casas.

Doctor en Ciencias Físicas.

Profesor de Investigación.

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Instituto de Física Teórica (IFT).