Partes del especial «La masa en la ciencia»
Parte 1: Teorías de Newton y Einstein
Parte 2: Un átomo al microscopio
Parte 3: Mecánica Cuántica
Parte 4: Masa, espín y simetría
En la parte 1 de «La masa en la ciencia», nos preguntábamos por qué los átomos tienen la masa que tienen. Vamos a investigarlo un poco considerando un átomo cualquiera, concretamente uno de helio. Cada átomo de helio está formado por un núcleo positivo y dos electrones negativos orbitando alrededor. A su vez, el núcleo está formado por dos protones (positivos) y dos neutrones (neutros).
Todas estas partículas tienen masa. Las unidades usadas por los físicos de partículas para medir las masas son los GeV. En pocas palabras, un GeV es aproximadamente la masa de un protón. Concretamente Mprotón = 0,9383 GeV. Asimismo, Mneutrón = 0,9396 GeV, Melectrón = 0,000511 GeV. Como se puede ver, la masa de un electrón es unas dos mil veces más ligera que la de un protón o un neutrón (muy parecidas entre sí).
Así que en un átomo de helio, o de cualquier otro elemento, el núcleo es con mucho el mayor responsable de la masa. No obstante, la masa de un átomo de helio es ligeramente menor que la suma de las masas de los dos protones, los dos neutrones y los dos electrones por separado. La razón es la misma por la que un tornillo pegado a un imán tiene menos masa que el imán y el tornillo por separado.
En este caso los electrones están atrapados por el núcleo debido a la fuerza de atracción eléctrica. Y, al ser capturados, emiten energía, por lo que la masa del conjunto disminuye ligeramente (en un 0,000002%). De forma análoga, los protones y neutrones están pegados gracias a las llamadas fuerzas fuertes. Al unirse, también emiten energía, con lo que la masa del conjunto disminuye (en un 0,76%).
Por cierto, este último proceso es esencialmente el que tiene lugar en el interior de las estrellas, y el máximo responsable de que emitan luz y calor. Es también el tipo de proceso que ocurre en una bomba nuclear de fusión. Y también la clase de proceso del que se espera algún día, cuando se sepa controlar, extraer energía limpia y prácticamente ilimitada.
Ahora bien, ¿por qué los protones, neutrones y electrones tienen la masa que tienen? Empecemos por los electrones. Hasta donde se sabe, los electrones son partículas perfectamente elementales, sin ninguna estructura interna. Se puede decir que son puntuales, es decir que no ocupan ningún volumen, aunque luego matizaremos esta afirmación.
Sin embargo, los electrones poseen masa intrínseca. Aquí surgen muchas preguntas: ¿por qué han de tener masa los electrones?, ¿por qué tienen precisamente la masa que tienen? Incluso podemos preguntar: ¿por qué la materia elemental aparece en forma de partículas? Más adelante encontraremos algunas respuestas, pero también veremos que alguna de estas cuestiones sigue siendo un misterio, incluso después de haber descubierto el bosón de Higgs.
Consideremos ahora los protones y neutrones. Desde los años sesenta y setenta del siglo pasado existen pruebas abrumadoras de que no son partículas elementales, sino que están compuestas de otras llamadas quarks. Un protón está hecho de dos quarks de tipo u (up) y un quark de tipo d (down). Podemos escribir p = uud. De la misma forma, la composición de un neutrón es n = udd.
Por lo que sabemos, los quarks son partículas tan elementales como pueda serlo el electrón. Los quarks están unidos dentro del protón y del neutrón gracias al intercambio de otras partículas, llamadas gluones, que son las partículas mediadoras de la interacción fuerte.
Más adelante discutiremos más a fondo la estructura de las interacciones fundamentales. Por el momento, es suficiente saber que, al revés que la fuerza gravitatoria o las fuerzas eléctricas, la interacción fuerte crece con la distancia. Es como si los quarks estuvieran unidos por muelles, tal como sugiere la figura, de forma que cuanto más queremos separarlos, con más fuerza se atraen.
En la imagen anterior, los muelles representan los gluones intercambiándose entre quarks. En realidad, el interior de un protón es un mundo enormemente complejo y dinámico, donde los gluones intercambiados interaccionan también entre ellos, y además pueden producir pares quark-antiquark, que se recombinan de nuevo en gluones. A veces se visualiza un protón como un saco que contiene no solo los tres quarks uud, sino también gluones y pares quark-antiquark.
Por todo ello, ese saco contiene energía. Y esa energía, proveniente de la interacción fuerte, es la máxima responsable de la masa del protón. Para el neutrón sucede exactamente lo mismo. Más concretamente, la masa individual de los quarks u y d es aproximadamente 0,002 y 0,005 GeV, por lo que aportan tan solo alrededor de un 1% de la masa total del protón y el neutrón. Así que la mayor parte de la masa del núcleo, y por tanto de toda la materia ordinaria (incluidos nosotros mismos), proviene de las interacciones fuertes que trepidan en el diminuto mundo interior de los protones y neutrones.
Este es un hecho que a veces no se reconoce adecuadamente. Como veremos enseguida, el bosón de Higgs está íntimamente relacionado con el mecanismo que proporciona masa intrínseca a los electrones y a los quarks, por lo que a veces se dice que el bosón de Higgs es el responsable de la masa de la materia. Pero esta afirmación, así sin más, es incorrecta.
Los mayores contribuyentes a la masa de la materia son los protones y los neutrones, que forman los núcleos atómicos; y, como acabamos de ver, casi toda su masa proviene de la interacción fuerte, que mantiene a los quarks y gluones confinados en su interior. De hecho, hoy en día se comprende muy bien por qué los protones y los neutrones tienen precisamente la masa que tienen. Es una consecuencia de las características de la interacción fuerte. Si fuera más intensa, serían todavía más pesados.
Naturalmente, podemos preguntarnos: ¿y por qué la interacción fuerte tiene la intensidad que tiene? Esta es una cuestión importante que aún no sabemos responder (aunque hay modelos interesantes que podrían hacerlo). Pero esta pregunta estaría ahí de cualquier forma, ya que la interacción fuerte produce otros muchos fenómenos, aparte de formar protones y neutrones.
Lo que hemos aprendido es que, esencialmente, las masas de los protones y neutrones no son un misterio en sí mismas, sino una consecuencia de un hecho más básico: las interacciones fuertes. Y esto supuso un paso formidable en nuestro conocimiento de la naturaleza.
Ya que estas dos partículas son las máximas responsables de nuestra masa, parece de justicia añadir algo más sobre ellas. A diferencia de los electrones, los protones y los neutrones sí tienen un tamaño definido, por ser partículas compuestas (recordemos, un saco de partículas). Ese tamaño es extraordinariamente diminuto, pero no nulo. Concretamente, su radio es aproximadamente una billonésima de milímetro: caben tantos protones en el volumen de un grano de arena como granos de arena dentro del planeta Júpiter.
Su densidad, sin embargo, es gigantesca. Ese mismo grano de arena, hecho de protones, pesaría mil toneladas. Esta es también, aproximadamente, la densidad de las estrellas de neutrones. Al final de la vida de una estrella masiva, la materia estelar se colapsa por su propia atracción gravitatoria. En el núcleo de la estrella los electrones son capturados por los protones, convirtiéndose en neutrones, y al final todo acaba en un amasijo de neutrones de pequeño tamaño y densidad extrema, que constituye la estrella de neutrones.
El resto del material estelar rebota de forma extraordinariamente violenta, dando lugar a una supernova (explosión estelar). Una estrella de neutrones típica es una esfera de unos 20 km de radio con una masa mayor que la del Sol. Si la masa inicial es suficientemente grande, el proceso de colapso puede continuar, destruyendo los propios neutrones y terminando en un agujero negro.
Después de todo lo anterior, podría parecer que la masa de los electrones y de los quarks es insignificante. Pero no lo es en absoluto, ni desde una perspectiva teórica ni desde una práctica. Es cierto que si los quarks no tuvieran masa, los protones y neutrones existirían, aproximadamente con las mismas características, y por tanto tendríamos núcleos atómicos. Pero si los electrones no tuvieran masa, viajarían a la velocidad de la luz (como le sucede a la propia luz, hecha de fotones sin masa en reposo).
La consecuencia es que nunca serían atrapados por los núcleos. No habría átomos, ni por tanto materiales y sustancias diversos. No habría planetas, ni por supuesto vida. Así que esa «insignificante» masa de los electrones es crucial para que todos nosotros estemos aquí, pensando sobre estas cosas. Desde el punto de vista teórico, la masa de los electrones y los quarks es aún más interesante. No se debe a una estructura interna, como la de los protones y neutrones. Se trata de algo más fundamental y que tiene que ver con los entresijos más básicos de la naturaleza.
