EL MUNDO SUBATÓMICO
Todo lo que nos rodea, nuestro planeta entero, los demás planetas del Sistema Solar, el Sol, las estrellas y lo que alcanzamos a ver con telescopios, está hecho de las mismas cosas: electrones, protones y neutrones. Por supuesto, para poder ver con nuestros ojos todas estas cosas necesitamos de otras partículas: los fotones, es decir, la luz. Pero también presentes a nuestro alrededor hay otras partículas que tienen vidas muy efímeras o que en definitiva es muy difícil que tenga una interacción con nosotros. Muones, piones, kaones, positrones y neutrinos son el nombre de algunas de estas.
La forma en que estas partículas interactúan entre sí y se organizan para formar la materia viene de interacciones fundamentales: la interacción electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La interacción electromagnética es la que se encarga de que un electrón, con carga negativa, sea atraído por un protón, con carga positiva, para formar un átomo de hidrógeno, el elemento químico más ligero. Así, en un átomo de helio hay dos protones y por lo tanto debe haber 2 electrones. Pero si dos protones tienen carga positiva y la electrostática nos dice que dos cargas iguales se repelen ¿cómo es que pueden estar juntos? Ahí entra la interacción nuclear fuerte.
La interacción nuclear fuerte solo se da entre protones y neutrones. Así, para que el núcleo de helio sea estable, la interacción fuerte entre los protones tiene que apoyarse con la interacción fuerte de uno o dos neutrones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, así que ayudan a contener la repulsión electrostática de los protones.
El átomo de hidrógeno contiene un protón y un electrón.
Átomo de helio con dos electrones alrededor de un núcleo con dos protones y dos neutrones.
En cada uno de los elementos químicos hay el mismo número de protones que de electrones y si hay más protones entonces hay más neutrones, incluso superando el número de protones. Así, por ejemplo, en el núcleo de un átomo de plata hay 47 protones y puede haber hasta 62 neutrones. Si en el núcleo de un cierto elemento hay exceso o deficiencia de neutrones, ese átomo se puede volver inestable y emitir radiación. Ahí es donde entra la interacción débil.
En ciertos núcleos atómicos donde hay exceso de neutrones existe un proceso donde uno de los neutrones se transforma en protón emitiendo un electrón y un neutrino. Por otro lado, en núcleos atómicos donde hay exceso de protones, uno de los electrones de ese átomo puede ser capturado transformando uno de los protones en neutrón y emitiendo un neutrino. Los neutrinos son partículas sin carga eléctrica pero con una masa extremadamente pequeña, tanto que hasta finales del siglo pasado se creía que no tenían.
Cuando los protones, neutrones se mueven con muy alta energía, es decir, con velocidades cercanas a la velocidad de la luz y colisionan entre ellos, es cuando pasan cosas extrañas, porque resulta que neutrones y protones no son partículas fundamentales. En realidad, estos están formados por quarks. Hay seis tipos o “sabores” de quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) y top (t). Los protones están formados por dos quarks u y un quark d, mientras que los neutrones los forman dos d y un u.
Protón formado por dos quarks u y un quark d.
Neutrón formado por dos quarks d y un quark u.
Protones y neutrones, de forma general, se les llama hadrones. Entonces, cuando dos hadrones chocan con mucha energía pueden producir piones, que son partículas compuestas por un quark y un antiquark. Estos piones pueden tener carga positiva, negativa o ser neutros. Los piones neutros rápidamente decaen en rayos gamma, es decir, fotones de muy alta energía. Un pión con carga eléctrica decae en una partícula llamada muón y un neutrino. El muón tiene las propiedades de un electrón, pero unas 200 veces más pesado y también es una partícula inestable, la cual dependiendo de su carga eléctrica puede decaer en un electrón o un positrón, emitiendo más neutrinos. Así, un pión con carga negativa va a decaer en un muón con carga negativa que a su vez va a decaer en un electrón, emitiéndose neutrinos en cada paso. Además de piones, hay otras partículas formadas por pares quark antiquark; a todas estas se les llama mesones. Por otro lado, a los electrones y muones, de manera colectiva, se les llama leptones.
Todas estas partículas y sus interacciones están descritas en lo que se le llama el Modelo Estándar. En este marco teórico se establecen las reglas que siguen los quarks para formar hadrones y mesones y cómo estos interactúan con los leptones.
Crédito: Cush - Trabajo propio utilizando: PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group. Atribución 3.0 No portada. CC BY 3.0.
RAYOS CÓSMICOS
En 1912, un físico austriaco llamado Victor Hess hizo una serie de viajes en globo aerostático para medir la radiación presente en el ambiente. Se tenía la sospecha de que esa radiación venía de los elementos en el suelo, así que lo que esperaba Hess era que la radiación disminuyera conforme el globo alcanzara mayor altura. En los primeros cientos de metros esta predicción se cumplía, pero pasando aproximadamente 4 kilómetros de altura, la radiación empezaba a aumentar. La única explicación posible era que había una radiación que venía del espacio, por lo que la nombró radiación cósmica o rayos cósmicos.
Las mediciones de Hess se hacían con un electroscopio, que básicamente mide la cantidad de átomos ionizados presentes en el aire, es decir, átomos que han perdido un electrón. Aunque los fotones también pueden ionizar un átomo, la sospecha era que la mayoría de los rayos cósmicos tenían que ser partículas con carga eléctrica. Uno de los científicos que quiso comprobar esta hipótesis fue Arthur Compton, de Estados Unidos. Para esto aprovechó que ya existía una red de monitoreo para medir el campo magnético de la Tierra en distintos puntos del mundo. Entonces, si los rayos cósmicos eran partículas con carga eléctrica, estas debían ser afectadas por el campo magnético. Debido a que este campo cambia con la latitud, entonces el flujo de rayos cósmicos también tendría que variar con la latitud.
Uno de los puntos donde Compton quiso hacer sus mediciones fue en México y para ello contactó al físico mexicano Manuel Sandoval Vallarta. En 1932 Sandoval Vallarta trabajaba en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y acompañó a Compton a México ya que le despertó la curiosidad por los rayos cósmicos, además de servir de contacto con las autoridades locales para que le permitieran hacer sus mediciones. Posterior a ese viaje, Sandoval Vallarta continuó investigando los rayos cósmicos y estableció grupos de trabajo en México, iniciando así la investigación en este campo en nuestro país.
Gracias a instrumentos como la cámara de niebla, los científicos empezaron a identificar la composición de los rayos cósmicos. Pudieron ver que había electrones y rayos gamma, pero había una partícula con la misma masa del electrón que en presencia de un campo magnético se desviaba en dirección opuesta al electrón, por lo que debía tener la carga opuesta. Así, gracias a los rayos cósmicos, se descubrió el positrón, la primera observación de la anti materia. También notaron que había otra partícula que se comportaba como el electrón, con la misma carga eléctrica, pero con una masa mayor. Así, también gracias a los rayos cósmicos, se descubrió el muón. Posteriormente se descubrió el pión y el kaón y se comprendió que estas partículas eran resultado de colisiones de núcleos atómicos en la atmósfera, por lo que en realidad en la superficie de la Tierra se están detectando rayos cósmicos secundarios, producidos por rayos cósmicos primarios interactuando con la atmósfera terrestre.
Positrón ingresando a una cámara de niebla desde la parte inferior en presencia de un campo magnético. En medio está una placa de plomo la cual reduce la velocidad del positrón y por eso es que su trayectoria tiene una curvatura más pronunciada.
Crédito: Carl D. Anderson (1905–1991) - Anderson, Carl D. (1933). "The Positive Electron". Physical Review 43 (6): 491–494.
Ahora se sabe que alrededor del 89% de rayos cósmicos primarios son núcleos de hidrógeno, es decir, protones, seguidos de núcleos de helio en un 10% y el 1% restante son núcleos más pesados y electrones. Además, todos estos llegan a la Tierra en un rango muy amplio de energías. La escala de energía que se utiliza es el electronvolt (eV), que es la energía que adquiere un electrón cuando pasa por una diferencia de potencial de 1 V. Así, por ejemplo, si se utilizara el voltaje que hay en las casas de 120 V para acelerar un electrón, este tendría 120 electronvolts de energía. Entonces, los rayos cósmicos tienen un rango desde unos miles de millones de eVs (gigaelectronvolts o GeV) hasta billones de eVs (teraelectronvolts o TeV). Naturalmente, no todas las energías llegan con la misma intensidad. Si los rayos cósmicos de GeV llegan con una frecuencia de uno por segundo por metro cuadrado, los de TeVs llegan con una frecuencia de 1 por año por kilómetro cuadrado.
Flujo de rayos cósmicos con respecto a sus energías. Noten que la escala es logarítmica. Crédito: Sven Lafebre - trabajo propio utilizando a Swordy[1] and De Angelis[2]. CC BY-SA 3.0.
Cuando un protón colisiona con un núcleo en la atmósfera produce piones que a su vez decaen en muones y neutrinos los cuales alcanzan la superficie de la Tierra. De ahí que haya un flujo casi constante de decenas de miles de muones por metro cuadrado por minuto al nivel del mar. Este flujo aumenta con la altura, ya que hay menos atmósfera que absorba estos rayos cósmicos.
Además de la atmósfera, el campo magnético de la Tierra es un escudo adicional contra los rayos cósmicos o, por lo menos, contra los de menor energía. Precisamente por los efectos descritos por Compton y Sandoval Vallarta, los rayos cósmicos con carga eléctrica son desviados por el campo magnético. Algunos son deflectados de vuelta al espacio y otros se “enrollan” alrededor de las líneas de campo y se mueven hacia los polos.
