¿De qué está hecho el Universo?; Física de Partículas || Science

¿De qué estamos hechos? ¿de qué están hechas todas las cosas a nuestro alrededor? Esta posiblemente sea una de las preguntas más antiguas del mundo, actualmente sabemos que las cosas están hechas de átomos, pero si profundizamos un poco más, agregamos que los átomos están hechos de electrones, protones y neutrones y estos a su vez de Quarks up y Quarks Down, incluso existe la posibilidad de que todos estos objetos estén formados por cosas aún más pequeñas, pero que todavía no hemos descubierto.  En definitiva, la respuesta fácil a la pregunta ¿De qué estamos hechos? Es que somos partículas subatómicas, pero ¿realmente estamos hechos de partículas tal y como el mundo las entiende, como bolitas? La respuesta es no, la rama del conocimiento que estudia las cosas más pequeñas de las que estamos hechos se llama Física de Partículas.

Debido a la complejidad de poder explicar que son las partículas y las ecuaciones matemáticas que los físicos utilizan, los científicos han decido retratarnos a las partículas como bolitas que se atraen y/o se repelen, pero aquí intentaremos mostrarles una imagen conceptual de cómo son realmente las partículas que nos forman, iniciemos tomando como base parte de la teoría más precisa jamás creada por el ser humano; La Teoría Cuántica de Campos. Para poder entender de qué va la física de Partículas uno tiene que comprender primero que es la Física de Ondas; si en un medio material, una onda electromagnética es muy intensa puede estimular a las cargas que viven dentro e influenciar a la onda que se está propagando, esto es un ejemplo de como las reglas clásicas de ondas ya no funcionan y empiezan a comportarse como si fueran partículas, a esto se le conoce como el régimen no lineal, la no linealidad es en parte la responsable de que el mundo material sea como es. Los físicos llevan toda la historia dividiendo las cosas que veían en dos grupos: la materia que contiene el universo y las fuerzas que la domina, ósea las partículas por un lado y por el otro las ondas y los medios en las que estas ondas se propagan, lo que llamamos los “campos”. Pero debemos preguntarnos, si las partículas de las que estamos hechos pueden ser descritas a través de un campo ¿significa que las partículas también son ondas? Pues esta idea es una de los pilares fundamentales de la “Teoría Cuántica De Campos.”

Al igual que el campo electromagnético llena el Universo y sirve de medio para que la luz se propague, el Universo también está lleno por el campo del electrón, cada electrón que vemos en el Cosmos es una vibración, que se propaga en este campo, es una onda con un comportamiento altamente no lineal, lo que permite, al igual que las olas en el mar, que estas vibraciones hagan cosas que desde nuestro mundo interpretamos como de partícula. Esto es aplicable a todas las partículas subatómicas que conocemos, como los Quarks que forman el núcleo atómico, los neutrinos, todas estas partículas tienen campos asociados que llenan a todo el Universo, y en esencia lo que nosotros llamamos partículas, y dibujamos como bolitas, son realmente las ondas que se propagan en estos campos. Podemos imaginar al universo como un conjunto de campos conectados unos con otros en un patrón preciso.  Realmente el poder explicar las interacciones de todas estas partículas se necesitaría hablar también de espinores, propagadores e integrales complejas, pero para esto se necesitaría estudiar como nueve materias más de matemáticas, lo que quiero decir es que para hacer afirmaciones místicas sobre cuestiones científicas uno tiene que entender la ciencia a profundidad y no basta con esta simple explicación.

El hecho de que las ondas que se propagan en los campos son no lineales, estos a su vez son cuánticos, obedecen las anti intuitivas reglas de la mecánica cuántica. Los campos cuánticos pueden estar en múltiples configuraciones al mismo tiempo, superpuestos en una cierta mezcla, los campos cuánticos con los que suelen trabajar los físicos obedecen también a las “Leyes De La Relatividad Especial”; la Dilatación Temporal, la velocidad de la luz como límite, la correspondencia entre masa y energía, todo esto se le suma a las vibraciones de los campos cuánticos, nada que un cerebro humano pueda procesar con facilidad, esto solo se puede lograr a través de las matemáticas.

Una vez “explicado” que son los campos la siguiente pregunta es, ¿cuántos de estos campos existen?; ¿cuantos conforman la realidad que vemos?; Pues tenemos al electrón y sus hermanos, los tres tipos de neutrinos, los seis Quarks, cada uno con tres colores posibles, el fotón (el campo electromagnético), los dos bosones W, el bosón Z, los 8 tipos de gluones y el famoso Bosón de Higgs, en total hay 37 campos descubiertos, pero aún podrían existir más. Es esto lo que los Físicos de Partículas están buscando, pero como es que los científicos logran descubrir estos campos, la respuesta se encuentra en un “Acelerador de Partículas”. Cuando uno piensa en aceleradores de partículas se imagina enormes máquinas usadas para hallar la estructura fundamental del Cosmos, y está en lo correcto, pero también estas ingeniosas maquinas sirven como una herramienta muy útil. Cuando es disparado con la intensidad correcta, puede encoger un tumor, producir energía más limpia, hallar una carga sospechosa, limpiar el agua, mapear una proteína, diseñar una nueva medicina, diagnosticar una enfermedad, reducir los desperdicios nucleares, detectar una obra de arte falsificada, fijar la fecha de un hallazgo arqueológico, empacar un súper pollo en promoción o descubrir los secretos del universo.

El objetivo de lo que se hace en estos aceleradores, es traer a la vida partículas que no se producen con normalidad en nuestro mundo cotidiano y detectarlas para poder estudiar como son, y la realidad es que lo necesitamos, en la Física de Partículas todavía hay muchos problemas abiertos, como el por qué las partículas que conocemos tienen la masas que tienen, también no entendemos su jerarquía, no se entiende tampoco de que está hecha la materia oscura, etc…

En el mundo existen más de 30,000 aceleradores de partículas, desde portátiles hasta del tamaño de una habitación, pero el Acelerador de Partículas más grande e importante del mundo es el CERN (LHC, por sus siglas en inglés).

CERN; El Gran Colisionador de Hadrones

Un gélido anillo de 27 kilómetros de longitud sumergido a más de 100m bajo tierra, con temperaturas más frías que el espacio exterior, donde las colisiones provocadas producen temperaturas mil veces superiores a la del sol, esta ingente obra de ingeniería acelera partículas a velocidades muy próximas a la velocidad de la luz y se hacen colisionar en el interior de un detector para estudiar así sus interacciones, consiguiendo densidades de energía y temperaturas similares a los primeros instantes de nuestro universo primitivo. Más de 9000 imanes, enfriados a una gélida temperatura de menos 271,3°C mediante 10.080 toneladas de nitrógeno líquido y cerca de 60 toneladas de helio líquido, controlan dos haces formados por billones de hadrones que viajan alrededor del anillo acelerador en direcciones opuestas a una velocidad de más de 11.000 vueltas por segundo, prácticamente a la velocidad de la luz. Cuando se hacen intersecar los haces, se producen 600 millones de colisiones por segundo, simulando las condiciones que existían en el momento del Big Bang.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), es y seguirá siendo la obra de ingeniería más importante para la ciencia (Un poco por encima de la Estación Espacial Internacional), su costo de mantenimiento es de más de mil millones de euros (€ 1,168,922,250.00) anuales. Este se fundó en 1954 en Ginebra Suiza, y cuenta con el apoyo de 22 estados miembros europeos. Miles de científicos e ingenieros de más de 60 países han trabajado durante más de 20 años para crear una máquina de una maestría científica y complejidad técnica sin igual que ahondará en nuestros orígenes, tratando de descubrir de qué está hecho el universo y cómo funciona. En el CERN se emplean los instrumentos científicos más grandes y complejos del mundo para poder estudiar los componentes más básicos de la materia: las partículas fundamentales. Al estudiar lo que sucede cuando colisionan estas partículas, los físicos obtienen conocimientos sobre las leyes de la naturaleza. También el CERN nos ayuda a crear y estudiar la antimateria, pero ¿Que es la antimateria? El universo entero está formado por electrones, protones y neutrones, que unidos forman a las partículas, pues bien existen en la naturaleza partículas iguales a las partículas de materia pero de carga contraria, estas son las antipartículas, el antielectrón, antiprotón antineutrón, la antimateria es la unión de antipartículas para formar átomos estables como el antihidrogeno, pero estas partículas tienen una interesante propiedad, cuando estas entran en  contacto con las antipartículas se aniquilan, prácticamente desaparecen, por eso no existen en nuestro entorno, la antimateria se debe de crear y a su vez evitar que se destruya, por eso es tan difícil manipularla. Se cree que, con la existencia de los multiuniversos, también puede existir un universo de antimateria, que sería todo lo contrario a lo que vivimos día con día, ya que si tu estas avanzando hacia el futuro en el universo de antimateria hay otro tu que retrocede hacia el pasado.