¿Cómo y por qué se formaron las partículas elementales?

La ciencia sí puede explicarnos cómo se formaron pero no por qué. No sabemos si hay una razón para que se formaran, pero, en el caso de que la hubiera, la ciencia no puede explicarla. Lo que la ciencia sí puede decirnos es qué mecanismos físicos dieron lugar a la formación de las partículas elementales. Todo empezó con el Big Bang, hace unos 14.000 millones de años. Cuando se produjo el Big Bang hubo una cantidad inmensa de energía en forma de radiación y las partículas elementales se formaron a partir de esa energía inicial.

Sabemos que en las primeras fracciones de segundo el universo era muy caliente, con temperaturas mayores de miles de billones de grados y muy pequeño, tanto que todo el universo podría caber en un átomo y con una densidad muy grande. Nada parecido a lo que tenemos hoy día. De la propia radiación y por la fórmula de Einstein (E=m x c²), sabemos que puede generarse materia. Entonces, a partir de toda esa radiación se produjeron cantidades iguales de partículas y antipartículas. Las partículas elementales son el componente básico de la materia, es decir aquellos componentes que no pueden dividirse más y que, por lo que sabemos, carecen de estructura interna. Las antipartículas son idénticas a las partículas, pero, cuando tiene carga, esta es opuesta. Todas las partículas elementales tienen una antipartícula asociada, aunque algunas de ellas, como el fotón, son su propia antipartícula.

Aquel universo en formación de los primeros instantes era como una amalgama de estas partículas elementales. A esto lo conocemos como la sopa primordial. Estas partículas tenían unas energías muy altas, se movían a una enorme velocidad y chocaban unas con otras lo que a la vez producía más partículas y más radiación. Y en ese momento se formó la práctica totalidad de partículas elementales.

Con posterioridades a aquel suceso, se han producido algunas partículas elementales de forma artificial en los aceleradores de partículas. Estos dispositivos utilizan campos electromagnéticos para hacer chocar partículas a altísima velocidad entre ellas y de esa forma provocar la aparición de nuevas partículas. También después del Big Bang se han producido otras partículas elementales en procesos naturales como desintegraciones radiactivas o colisiones de partículas, como es el caso de los neutrinos atmosféricos. Pero se trata de una proporción ínfima comparada con el total de materia del universo, así que sí se puede decir que toda la materia que tenemos hoy en el universo procede de esa sopa primordial.

Una vez que el universo comenzó a expandirse y a enfriarse, estas partículas elementales fueron haciendo combinaciones entre ellas y se formaron los protones y los neutrones

Una vez que el universo comenzó a expandirse y a enfriarse, estas partículas elementales fueron haciendo combinaciones entre ellas y se formaron los protones y los neutrones. Después se fueron formando los núcleos de helio y de deuterio, que es un isótopo del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Esta es como la historia de la evolución del cosmos, una vez que las partículas elementales ya existieron comenzó la formación de todo lo demás que dio lugar a la aparición de la materia tal y como la conocemos. A este momento que va desde 300 segundos tras el Big Bang hasta mil años después le llamamos la época de la nucleosíntesis primordial. Todo el helio y el hidrógeno que existen en el cosmos, así como otros núcleos atómicos ligeros, se formó en ese momento porque las temperaturas que hubo a partir de entonces en el universo ya no fueron lo suficientemente altas como para continuar con su producción. El resto de núcleos más pesados que el litio, compuesto por tres protones y cuatro neutrones, se producen en las estrellas a partir de la fusión de los núcleos ligeros, mientras que los superpesados, más allá del hierro, tienen su origen en las supernovas.

Mariam Tórtola es profesora en la Facultad de Física de la Universitat de València e investigadora en el Instituto de Física Corpuscular, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia.

Pregunta enviada vía email por Juan Fernández

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