Cómo la física de partículas nos ayuda a entender el universo

Los misterios más profundos y fundamentales del universo se encuentran encerrados no en los cúmulos de galaxias y los gigantescos vacíos intergalácticos, sino en las propiedades de las partículas que lo componen. Partículas billones de veces más pequeñas que el grosor de un cabello humano que, por lo prevalentes que resultan a lo largo y ancho del universo, determinan completamente sus propiedades a gran escala y las de los objetos que lo habitan.

Es el caso por ejemplo de las estrellas de neutrones, estas mal llamadas estrellas están entre los objetos astronómicos más extremos que conocemos. Son objetos que en un radio de apenas 10 kilómetros consiguen reunir masas como la del Sol, con densidades por tanto comparables a las de los núcleos atómicos y millones de veces mayores que las de cualquier otro material que conozcamos.

No quedan demasiado lejos de la densidad que los haría convertirse en agujero negro, pero si son capaces de resistir las increíbles fuerzas gravitatorias que intentan comprimirlas es precisamente porque su interior viene regido por la interacción nuclear fuerte, la misma que permite a un núcleo atómico existir.

La interacción fuerte se sobrepone a la repulsión electromagnética que sienten los protonesentre sí por el hecho de tener todos carga eléctrica positiva y estar apretados en un lugar tan estrecho como un núcleo atómico. También es esta la interacción que impide a la estrella de neutrones colapsar sobre sí misma para formar un agujero negro.

Para entender entonces cómo funcionan estas estrellas necesitaremos un conocimiento íntimo de la interacción fuerte. Además, no podemos hacer experimentos directos sobre éstas, sino simplemente limitarnos a observarlas desde la distancia. Aunque de esta forma hemos podido aprender muchísimo sobre ellas y sobre otros tantos objetos astronómicos, el estudio de sus bloques fundamentales nos permitirá entenderlas mejor.

De esto mismo trata un estudio reciente de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, centrado en el estudio del núcleo de átomos de plomo. Estos átomos son especialmente interesantes porque contienen el núcleo atómico estable más pesado, por lo que permite estudios más profundos sobre la interacción fuerte. Además, su isótopo principal, el Plomo-208 contiene una cantidad muy interesante de protones y neutrones.

Concretamente contiene 82 protones (como cualquier otro átomo de plomo, pues esa cantidad define al elemento) y 126 neutrones. Estos dos números son parte de los conocidos como“números mágicos” de la física nuclear. Existen ciertas cantidades de protones y neutrones que dan a los distintos núcleos atómicos mayor estabilidad de la esperada.

Este es probablemente el motivo por el que el plomo resulta tan estable. Se cree además que los neutrones forman una especie de piel exterior, rodeando al resto de nucleones. Estudios sobre el grosor y las propiedades de esta piel nos han permitido ahondar en nuestro conocimiento de la fuerza nuclear fuerte que los domina.

Esta interacción resulta especialmente complicada de modelizar por el motivo principal de que los gluones, las partículas encargadas de transmitir la interacción fuerte entre otras dos partículas con carga de color, también son capaces de sentir esta misma fuerza. En el caso de la interacción electromagnética esto no ocurre pues la información es transmitida mediante fotones y estos son neutros eléctricamente. El hecho de que los gluones puedan interactuar con otras partículas y entre sí complica los cálculos rápidamente.

La física de partículas no solo nos ha ayudado en nuestro estudio de las estrellas de neutrones, sino de muchas otras facetas del universo. Es por ello que cuando hablamos de los primeros instantes de vida del universo no hablamos de estrellas o galaxias, sino de plasma de quarks y gluones, de neutrinos o de nucleosíntesis, porque son estas partículas y sus distintas propiedades las que definieron cómo evolucionó el universo en sus primerísimos instantes y cómo ha evolucionado desde entonces.

Al fin y al cabo, un cambio pequeño en las propiedades de partículas como el protón o el electrón, o en la intensidad de la interacción gravitatoria o electromagnética, cuando tenemos en cuenta las cantidades ingentes de partículas que pueblan el universo y las inconcebibles distancias que abarca, se acumulan para darnos realidades completamente diferentes.

También el estudio de esta física de partículas y de la física nuclear nos permite por ejemplo entender el funcionamiento interno de nuestro Sol y de todas las estrellas del universo y cómo el hidrógeno que en ellas se acumula es capaz de hacerlas brillar durante miles de millones de años mediante la fusión nuclear.

Fuente: Muy Interesante