La penúItima pieza del "puzzle"

La existencia de los átomos, últimos e indivisibles componentes de la materia, fue una hipótesis enunciada con genial intuición por Demócrito, en la Grecia clásica, y posteriormente olvidada durante más de dos milenios. Volvió a tomar cuerpo a finales del siglo pasado, esta vez ya como una explicación simple a una multitud de fenómenos experimentales, principalmente en el ámbito de la química, cuyas leyes, en apariencia caprichosas, podían entenderse en términos de interacciones entre átomos, uno distinto para cada elemento simple.A principios de siglo nadie dudaba ya de la existencia de los á...

La existencia de los átomos, últimos e indivisibles componentes de la materia, fue una hipótesis enunciada con genial intuición por Demócrito, en la Grecia clásica, y posteriormente olvidada durante más de dos milenios. Volvió a tomar cuerpo a finales del siglo pasado, esta vez ya como una explicación simple a una multitud de fenómenos experimentales, principalmente en el ámbito de la química, cuyas leyes, en apariencia caprichosas, podían entenderse en términos de interacciones entre átomos, uno distinto para cada elemento simple.A principios de siglo nadie dudaba ya de la existencia de los átomos, aunque su formidable pequeñez, del orden de una cienmillonésima de centímetro, imposibilitara su visión directa. Se pensó, incluso, que jamás podría llegarse a tal cosa, debiendo contentarnos con evidencias indirectas. Hasta que hace tan sólo unos pocos años, un siglo después de que su existencia fuera generalmente aceptada, una nueva y poderosa técnica, la microscopía de efecto túnel, ha permitido que lleguemos literalmente a ver los átomos uno a uno.

Mucho antes de que eso ocurriera, sin embargo, los físicos habían empezado a sospechar, primero, que la naturaleza tenía que haber escogido un esquema más simple en su catálogo de componentes elementales, de modo que su número fuera mucho menor que los más de 100 elementos conocidos. Y a comprobar, después, que, en efecto, los átomos no son indivisibles, muy a pesar del significado de la palabra átomo, sino sistemas compuestos de objetos más simples; en realidad son enormes construcciones, a pesar de su pequeñez, en comparación con el tamaño de las nuevas partículas descubiertas. Así, protones y neutrones, de un diámetro 100.000 veces más pequeño que el de los átomos, se apiñan en el núcleo, mientras lo s electrones se mueven muy lejos, en su corteza.

Pronto el esquema se reprodujo, y la clase de partículas llamadas elementales, de propiedades parecidas a las de protones y neutrones, empezó a ganar, en variedad y complejidad, a la de los viejos átomos, lo que hizo sospechar que serían, a su vez, sistemas compuestos. El avance en los aceleradores ha permitido penetrar más profundamente en el interior de esa pléyade nueva de partículas mal llamadas elementales, revelando que no son más que estados compuestos de entidades aún más elementales, llamadas quarks, que carecen, hasta donde hoy sabemos, de estructura interna, aun cuando ésta es una afirmación provisional sujeta a permanente verificación experimental.

Así, del mismo modo que la evidencia en favor de la existencia de los átomos era aplastante mucho antes de poder imaginar siquiera un procedimiento para detectarlos individualmente, la evidencia en favor de la existencia de esos quarks, que se encuentran en el interior de objetos tan pequeños como el protón y el neutrón, ha sido, asimismo, aplastante, especialmente desde 1968, en que haces muy energéticos de electrones consiguieron penetrar profundamente en el interior de dichas partículas e interaccionar directamente con sus componentes. Con la diferencia de que, en este caso, es muy probable que nunca seamos capaces de extraer un quark individual del interior de una de las partículas que conforma.

Para construir el mundo físico que conocemos bastaría un par de quarks, los llamados u y d, con los que podrían fabricarse todos los núcleos de todos los átomos posibles, más centenares de otras partículas conocidas. Ese par de quarks, junto con el electrón y otra partícula fundamental llamada neutrino, forman lo que se llama una generación, y bastarían, ellas cuatro solas, para explicar la enorme complejidad de todo el mundo físico.

Sorprendentemente, junto con ésta, la única que necesitamos, han aparecido otras dos generaciones, copias más masivas e inestables de la primera, cuyos componentes han ido manifestándose a medida que aumentaba la energía de los aceleradores disponibles y se podían fabricar partículas cada vez más masivas; algunas de éstas estaban, precisamente, construidas con quarks pertenecientes a estas dos nuevas generaciones.

Finalmente, el gran acelerador LEP, ubicado en Ginebra, ha demostrado experimentalmente que el número de generaciones es tres y no más. El que haya tres y no una, como parecería lógico desde el punto de vista de la economía de medios, es un gran misterio que no sabemos explicar, pero que tiene, sin duda, implicaciones profundas. Y aunque en un universo frío como el actual, de unos 15.000 millones de años de antigüedad, la primera generación es la única que ha sobrevivido naturalmente, es seguro que en los primeros instantes tras el Big Bang las tres generaciones de quarks jugaron un papel semejante.

He dicho que se han manifestado todas las partículas tenidas hoy por verdaderamente elementales. En realidad todas menos una. De los 12 componentes (tres familias a cuatro partículas por familia), sólo 11 eran conocidas directamente; incluso 10, si se considera que el tercero de los neutrinos no ha sido todavía detectado con suficiente claridad. Para completar el puzzle era necesaria la última, el quark top, la más masiva y, por ello, la más difícil de observar; de hecho, hasta ahora había sido imposible de manufacturar en un acelerador. Del mismo modo que en la vieja tabla periódica de elementos químicos de Mendeleiev quedaban huecos que fueron luego rellenándose, en la nueva tabla de 12 casillas quedaba una vacía, precisamente la correspondiente al quark top.

No se la había producido directamente, pero sus evidencias indirectas eran claras, incluyendo una buena estimación de su masa. Dichas evidencias, dicho sea de paso, han sido analizadas a energías insuficientes para que la partícula exista como tal, pero en las que, gracias a mecanismos sólo entendibles en el marco de la mecánica cuántica, se manifiesta como partícula virtual. Lo que es también una confirmación de algunos de los aspectos más chocantes y antiintuitivos de dicha rama de la física.

El caso es que en el Tevatron, el acelerador de protones y antiprotones más energético del mundo, en las afueras de Chicago, nos acaban de anunciar que algunos de esos quarks han sido, por fin, producidos, resultando ser sus propiedades más básicas que las previstas en las estimaciones antes mencionadas. Se trata de una primera evidencia directa, en la que, como cautamente advierten los propios autores del descubrimiento, la señal es débil en comparación con otros posibles fenómenos convencionales que podrían haber imitado su efecto. En todo caso, ya están procediendo a tomar nuevos datos, de modo que en el plazo de un año aproximadamente podrán confirmar o desechar la evidencia encontrada.

En la historia de los descubrimientos de partículas elementales, muchos de ellos han sido verdaderamente inesperados y han supuesto una novedad radical sacada a la luz por el experimento. Otras veces se ha tratado de verificar alguna predicción teórica, una partícula necesaria en un determinado esquema conceptual, en cuyo caso su misma existencia e incluso sus propiedades eran lo esperado. Pues bien, el quark top pertenece a esta última categoría, por lo que su descubrimiento, siendo fundamental como es, no ha cogido a nadie por sorpresa. Lo verdaderamente extraordinario sería que los nuevos datos no vinieran a confirmar y a precisar lo que acaba de ser anunciado.

Se completa, pues, la nueva tabla de componentes elementales de la materia, las 12 partículas agrupadas en tres familias, cuyo elemento más pesado, el quark top, ha venido a rellenar el hueco que le estaba asignado desde hace 17 años. Pero, en realidad, no se completa con este descubrimiento la lista de partículas que constituyen lo que ha venido a llamarse la Teoría Estándar en Física de Partículas Elementales. Afortunadamente queda aún un último hueco por rellenar, una casilla especial, fuera de las que constituyen las tres generaciones mencionadas, pero fundamental para entender sus propiedades.

Si la tabla de componentes de materia parece haber sido completada, la unificación, al menos parcial, de las fuerzas, y el único mecanismo conocido para dotar de masas a las distintas partículas, requiere de la aparición en escena de una nueva, más misteriosa y desconocida partícula llamada de Higgs. Encontrarla, demostrar su existencia, es un hueso mucho más duro de roer que el ya duro top, pero su descubrimiento sí que sería el fin de un puzzle; aunque no, como a veces se dice con un exceso de ligereza, de todos los puzzles.

es catedrático de Física de la Universidad Autónoma de Madrid.