La pen¨²Itima pieza del "puzzle"

La existencia de los ¨¢tomos, ¨²ltimos e indivisibles componentes de la materia, fue una hip¨®tesis enunciada con genial intuici¨®n por Dem¨®crito, en la Grecia cl¨¢sica, y posteriormente olvidada durante m¨¢s de dos milenios. Volvi¨® a tomar cuerpo a finales del siglo pasado, esta vez ya como una explicaci¨®n simple a una multitud de fen¨®menos experimentales, principalmente en el ¨¢mbito de la qu¨ªmica, cuyas leyes, en apariencia caprichosas, pod¨ªan entenderse en t¨¦rminos de interacciones entre ¨¢tomos, uno distinto para cada elemento simple.A principios de siglo nadie dudaba ya de la existencia de los ¨¢tomos, aunque su formidable peque?ez, del orden de una cienmillon¨¦sima de cent¨ªmetro, imposibilitara su visi¨®n directa. Se pens¨®, incluso, que jam¨¢s podr¨ªa llegarse a tal cosa, debiendo contentarnos con evidencias indirectas. Hasta que hace tan s¨®lo unos pocos a?os, un siglo despu¨¦s de que su existencia fuera generalmente aceptada, una nueva y poderosa t¨¦cnica, la microscop¨ªa de efecto t¨²nel, ha permitido que lleguemos literalmente a ver los ¨¢tomos uno a uno.

Mucho antes de que eso ocurriera, sin embargo, los f¨ªsicos hab¨ªan empezado a sospechar, primero, que la naturaleza ten¨ªa que haber escogido un esquema m¨¢s simple en su cat¨¢logo de componentes elementales, de modo que su n¨²mero fuera mucho menor que los m¨¢s de 100 elementos conocidos. Y a comprobar, despu¨¦s, que, en efecto, los ¨¢tomos no son indivisibles, muy a pesar del significado de la palabra ¨¢tomo, sino sistemas compuestos de objetos m¨¢s simples; en realidad son enormes construcciones, a pesar de su peque?ez, en comparaci¨®n con el tama?o de las nuevas part¨ªculas descubiertas. As¨ª, protones y neutrones, de un di¨¢metro 100.000 veces m¨¢s peque?o que el de los ¨¢tomos, se api?an en el n¨²cleo, mientras lo s electrones se mueven muy lejos, en su corteza.

Pronto el esquema se reprodujo, y la clase de part¨ªculas llamadas elementales, de propiedades parecidas a las de protones y neutrones, empez¨® a ganar, en variedad y complejidad, a la de los viejos ¨¢tomos, lo que hizo sospechar que ser¨ªan, a su vez, sistemas compuestos. El avance en los aceleradores ha permitido penetrar m¨¢s profundamente en el interior de esa pl¨¦yade nueva de part¨ªculas mal llamadas elementales, revelando que no son m¨¢s que estados compuestos de entidades a¨²n m¨¢s elementales, llamadas quarks, que carecen, hasta donde hoy sabemos, de estructura interna, aun cuando ¨¦sta es una afirmaci¨®n provisional sujeta a permanente verificaci¨®n experimental.

As¨ª, del mismo modo que la evidencia en favor de la existencia de los ¨¢tomos 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 peque?os como el prot¨®n y el neutr¨®n, ha sido, asimismo, aplastante, especialmente desde 1968, en que haces muy energ¨¦ticos de electrones consiguieron penetrar profundamente en el interior de dichas part¨ªculas 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 part¨ªculas que conforma.

Para construir el mundo f¨ªsico que conocemos bastar¨ªa un par de quarks, los llamados u y d, con los que podr¨ªan fabricarse todos los n¨²cleos de todos los ¨¢tomos posibles, m¨¢s centenares de otras part¨ªculas conocidas. Ese par de quarks, junto con el electr¨®n y otra part¨ªcula fundamental llamada neutrino, forman lo que se llama una generaci¨®n, y bastar¨ªan, ellas cuatro solas, para explicar la enorme complejidad de todo el mundo f¨ªsico.

Sorprendentemente, junto con ¨¦sta, la ¨²nica que necesitamos, han aparecido otras dos generaciones, copias m¨¢s masivas e inestables de la primera, cuyos componentes han ido manifest¨¢ndose a medida que aumentaba la energ¨ªa de los aceleradores disponibles y se pod¨ªan fabricar part¨ªculas cada vez m¨¢s masivas; algunas de ¨¦stas estaban, precisamente, construidas con quarks pertenecientes a estas dos nuevas generaciones.

Finalmente, el gran acelerador LEP, ubicado en Ginebra, ha demostrado experimentalmente que el n¨²mero de generaciones es tres y no m¨¢s. El que haya tres y no una, como parecer¨ªa l¨®gico desde el punto de vista de la econom¨ªa de medios, es un gran misterio que no sabemos explicar, pero que tiene, sin duda, implicaciones profundas. Y aunque en un universo fr¨ªo como el actual, de unos 15.000 millones de a?os de antig¨¹edad, la primera generaci¨®n es la ¨²nica 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 part¨ªculas tenidas hoy por verdaderamente elementales. En realidad todas menos una. De los 12 componentes (tres familias a cuatro part¨ªculas por familia), s¨®lo 11 eran conocidas directamente; incluso 10, si se considera que el tercero de los neutrinos no ha sido todav¨ªa detectado con suficiente claridad. Para completar el puzzle era necesaria la ¨²ltima, el quark top, la m¨¢s masiva y, por ello, la m¨¢s dif¨ªcil de observar; de hecho, hasta ahora hab¨ªa sido imposible de manufacturar en un acelerador. Del mismo modo que en la vieja tabla peri¨®dica de elementos qu¨ªmicos de Mendeleiev quedaban huecos que fueron luego rellen¨¢ndose, en la nueva tabla de 12 casillas quedaba una vac¨ªa, precisamente la correspondiente al quark top.

No se la hab¨ªa producido directamente, pero sus evidencias indirectas eran claras, incluyendo una buena estimaci¨®n de su masa. Dichas evidencias, dicho sea de paso, han sido analizadas a energ¨ªas insuficientes para que la part¨ªcula exista como tal, pero en las que, gracias a mecanismos s¨®lo entendibles en el marco de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, se manifiesta como part¨ªcula virtual. Lo que es tambi¨¦n una confirmaci¨®n de algunos de los aspectos m¨¢s chocantes y antiintuitivos de dicha rama de la f¨ªsica.

El caso es que en el Tevatron, el acelerador de protones y antiprotones m¨¢s energ¨¦tico 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 m¨¢s b¨¢sicas 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 se?al es d¨¦bil en comparaci¨®n con otros posibles fen¨®menos convencionales que podr¨ªan haber imitado su efecto. En todo caso, ya est¨¢n procediendo a tomar nuevos datos, de modo que en el plazo de un a?o aproximadamente podr¨¢n confirmar o desechar la evidencia encontrada.

En la historia de los descubrimientos de part¨ªculas 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 predicci¨®n te¨®rica, una part¨ªcula 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 ¨²ltima categor¨ªa, por lo que su descubrimiento, siendo fundamental como es, no ha cogido a nadie por sorpresa. Lo verdaderamente extraordinario ser¨ªa 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 part¨ªculas agrupadas en tres familias, cuyo elemento m¨¢s pesado, el quark top, ha venido a rellenar el hueco que le estaba asignado desde hace 17 a?os. Pero, en realidad, no se completa con este descubrimiento la lista de part¨ªculas que constituyen lo que ha venido a llamarse la Teor¨ªa Est¨¢ndar en F¨ªsica de Part¨ªculas Elementales. Afortunadamente queda a¨²n un ¨²ltimo 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 unificaci¨®n, al menos parcial, de las fuerzas, y el ¨²nico mecanismo conocido para dotar de masas a las distintas part¨ªculas, requiere de la aparici¨®n en escena de una nueva, m¨¢s misteriosa y desconocida part¨ªcula llamada de Higgs. Encontrarla, demostrar su existencia, es un hueso mucho m¨¢s duro de roer que el ya duro top, pero su descubrimiento s¨ª que ser¨ªa el fin de un puzzle; aunque no, como a veces se dice con un exceso de ligereza, de todos los puzzles.

es catedr¨¢tico de F¨ªsica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.