Capítulo 2 (II)

CAPÍTULO 2 (2ªparte). 2.2.Clasificación de las partículas puntuales (fundamentales e inestables) según las propiedades masa, carga y spin:  Bosones y fermiones (propiedades estadísticas).                 

  a)Las dimensiones  en la partícula puntual (fundamental o inestable; fermiones o bosones ).

       Las partículas físicas tienen 6 dimensiones : 1 temporal , 2 de propiedades internas (masa y carga internas) y 3 espaciales. Las distintas clases de partículas físicas tienen distintos tipos de dimensiones, desde el punto vacío hasta el bosón creador H .Como se comentó en un apartado anterior, los puntos físicos vacíos no tienen dimensiones al no tener ni masa (ni de reposo ni de movimiento) ni energía asociada ni carga eléctrica y no tiene sentido situarlos en el espacio o en el tiempo. En base a la dimensión temporal, las partículas se clasifican en estables e inestables. Las partículas estables no cambian de propiedades intrínsecas (ni de masa de reposo, ni energía correspondiente ni de carga eléctrica) manteniéndose así un tiempo prácticamente infinito (salvo el neutrón que es estable pero con tiempo medio de duración de unos 900 segundos, aunque no se considera estrictamente una partícula individual). Las partículas inestables tienen masas/energías internas distintas a las preestablecidas como estables por lo que tratan de cambiar o decaer rápidamente en una serie de desintegraciones hasta desembocar en las estables.

Figura nº10

  

    Las primeras constituyen los cuantos de materia por lo que podemos encontrarlas en reposo y en toda gama de velocidades hasta la velocidad límite sin alcanzarla mientras que sí poseen masa de reposo . Los fermiones estables pueden ser neutros como son los neutrinos en sus tres modalidades (cada cual con su masa intrínseca estable) y  constituyen haces de partículas no sensibles al electromagnetismo (ni absorben ni ceden fotones por lo que ópticamente son indetectables pero sí lo son gravitatoriamente) denominados “materia oscura”.Tenemos también los fermiones estables de carga no nula (positiva o negativa) que son los protones y electrones en el ámbito de la materia ordinaria que al poder absorber/ceder fotones podemos adquirir una imagen óptica de esta materia. Igualmente, sus opuestos, el antiprotón y el positrón en el ámbito  de la materia antimateria, también absorben/ceden fotones idénticos pudiéndose adquirir una imagen óptica idéntica y sin distinción de la materia ordinaria. Como partículas energéticas o transmisores de energía tenemos a los bosones con características complementarias a las anteriores, es decir, pueden viajar solamente a la velocidad V=C pero no tienen presencia en reposo ya que su masa de reposo interna es cero así como su carga eléctrica. Los bosones transmiten energía  en distintas interacciones y según ellas  se clasifican en los siguientes tipos:

   -Si provienen de la interacción cuántica electromagnética entre protones y electrones (o sus homólogos antipartículas) tenemos bosones libres que viajan a larga distancia transmitiendo el paquete de energía de pares a pares de cargas denominándose “fotones”. Figura nº11
   -Si provienen de la interacción cuántica nuclear fuerte  entre protones (antiprotones) tenemos bosones confinados en la región intranuclear transmitiendo el paquete de energía entre pares de protones de forma casi instantánea denominándose “gluones”.
   -Si provienen de la interacción cuántica nuclear débil entre protones y electrones dentro del neutrón(y sus antipartículas en el antineutrón)   tenemos bosones confinados en la región intraneutronal transmitiendo el paquete de energía entre tal par de forma casi instantánea denominándose “debilones”.
    -Si provienen de la interacción cuántica gravitatoria entre partículas debido a la masa tenemos bosones libres que viajan a larga distancia transmitiendo el paquete de energía de pares a pares de masas puntuales  denominándose “gravitones” (pero estos gravitones están enmascarados por las potentísimas energía EM ya que las energías gravitatorias son de unos 40 órdenes inferiores en intensidad , son prácticamente indetectables o fantasmas físicos ). Mientras que los neutrinos son los fermiones más indetectables que existen, los gravitones son los bosones más indetectables que existen, son las partículas físicas más escurridizas. Los primeros colisionan difícilmente en partículas individuales y los segundos son absorbidos por pares másicos de partículas pero difícilmente notados.                                                

       Todas estas partículas energéticas o radiativas o bosones son estables mientras no sean absorbidas. Los fotones y gravitones son bastante estables pero los bosones nucleares  (gluones y debilones) son muy inestables ya que son absorbidos y desprendidos casi automáticamente dentro del núcleo atómico o del neutrón.  A continuación, tenemos las partículas fermiónicas que son generadas por un bosón creador H que pueden poseer masas internas distintas a las masas estables de los neutrinos,  electrón, protón y sus antipartículas. En tal situación se encuentran bastante inestables y más aún cuanto más masa/energía interna posean con tiempos de desintegración menores.

       Por último, tenemos un bosón H creador de partículas (el símbolo H, letra muda, se debe al carácter neutro, duración mínima instantánea , siendo físicamente indetectable, salvo por sus productos de materialización) y generado por la violenta colisión a altas energías de partículas cargadas donde parte de la energía mecánica se transforma en dicho bosón. Si dicho bosón adquiere suficiente energía para materializarse en fermiones en un tiempo mínimo se transforma en una partícula y en su antipartícula en un proceso denominado “materialización”. Es una partícula del espacio (se crea en el centro de masas del sistema de cargas que varía su energía mecánica) pero es tan altamente inestable que no perdura en el tiempo (a lo sumo  dura un tiempo de Planck y no se desplaza sino que se descompone puntualmente , por lo que no son detectables directamente, en parte, por su neutralidad eléctrica).                      

Figura nº 12

b)La masa y la energía externas (en espacio-tiempo) para fermiones (propiedad espacio-tiempo  y propiedad másica propia).Fermiones sometidos a campos gravitatorios y a campos electromagnéticos :Experimento de Bertozzi para fermiones. Masa relativista de Einstein.  La carga eléctrica invariante.   

                                                                                                        

Los fermiones o partículas materiales (con carga eléctrica o neutra) se caracterizan por poseer masa-energía intrínsecas o propias relacionadas por Eo=MoC2 , universal e independiente del sistema de referencia. En el marco del espacio-tiempo puede adquirir diversas velocidades relativas y diversas energías cinéticas respecto a un sistema de referencia externo (otra partícula). Sin embargo, la adquisición de velocidades está limitada desde el reposo (V=0) hasta velocidades menores del límite “C”. Este límite es una condición de la relatividad einsteniana que se visualiza perfectamente en el “experimento de Bertozzi” donde en un acelerador de partículas se observa cómo los electrones se miden sus velocidades a medida que se les aporta más energía. En la   Figura nº 13 correspondiente se ve cómo se aceleran electrones arrancados en un generador de Van der Graaf ,   lanzados a través de un tubo con un campo eléctrico hasta alcanzar una cierta velocidad (con distintos campos o distintos voltajes entre las placas del acelerador).Las velocidades se miden con detectores de ráfagas de electrones y la energía cinética se mide con un calorímetro. El resultado es espectacular en cuanto a la fidelidad del segundo principio de la relatividad sobre la velocidad límite de las partículas y como límite , la uniforme y constante velocidad de las ondas electromagnéticas y los fotones. La relación energía cinética-velocidad cuadrado Ec(V2) sigue la expresión clásica para bajas velocidades pero a altas energías, la gráfica se alinea según una asíntota vertical situada en V2=C2.  Dada la curvatura asintótica, para variar un poco la velocidad a altas energías se necesita cada vez  más energía.  Este sorprendente hecho queda explicado por la expresión de la masa relativista de Einstein interpretándola de forma que la masa de las partículas en movimiento son mayores cuanto más veloces se muevan  cuyo significado de fondo es que las partículas adquieren mayores masas de inercia a mayores velocidades. Otro significado es que si consideramos una partícula que va adquiriendo mayores velocidades porque se le va aportando mayores energías , la energía aportada se va transformando en “masa inerte de movimiento”:Fenómeno donde la energía potencial aportada en el acelerador en campos eléctricos se transforma en energía inercial tanto en su aspecto másico como en su aspecto cinético. La masa relativista es        M= Mo/Raiz(1-V2/C2)   .  A mayor velocidad, mayor masa inercial de movimiento adquirida y lógicamente es un valor relativo según el sistema de referencia.  Se deduce que para el reposo, V=0 , M=Mo , que sí es absoluto.  La expresión de la energía cinética ya vista es:           Ec=(M-Mo)C2.   Otra interpretación es que si una partícula está en reposo respecto a un sist. Referencia con Mo ,entonces, respecto a otro sistema de referencia que se mueve respecto al anterior sistema de referencia a V, mediría otra masa (que sería una masa inercial de movimiento) dada por la expresión anterior de la masa relativista.
Hay que distinguir los valores internos de las partículas (Mo,Eo y Q) , con los valores externos en el marco del espacio-tiempo, según algún sistema de referencia elegido. Los valores M(V) y Ec(V) anteriores son relativos y son valores “externos”. Sin embargo, el parámetro carga eléctrica o signatura de la materia, es un valor universal independiente del movimiento de la partícula y del sistema de referencia elegido. Ni siquiera en las desintegraciones de partículas inestables ,la carga

                 

cambia de signatura ni de valor al menos individualmente, salvo en las aniquilaciones donde un signo positivo y otro negativo (siempre que las masas sean iguales, simetría partícula/antipartícula) da lugar a un par de bosones neutros.  Los experimentos no muestran que las energías aportadas a una partícula o a un sistema de partículas se traduzcan en variación de la carga eléctrica. Al fin y al cabo, la aportación de energía no hace variar el nº de partículas sino la energía de cada partícula ; por ello, la carga eléctrica que es una contabilización de partículas de forma efectiva (nº partículas positivas menos negativas con constante la carga elemental,  Q = Qo(Z-e)  , en el fondo es una signatura de la  materia y  no está afectada de movimientos  relativos  . Sin embargo, la masa inercial de reposo es una energía condensada en un punto físico , verdadera energía másica o en “forma energética” material que al recibir energía en formas potenciales (eléctrica o gravitatorias) se transforma tales formas de energía en energía condensada en el punto, aunque sea con valores relativos. Las partículas fermiónicas o materiales mantienen su masa de reposo pero ganan o pierden masa de movimiento al ganar o perder energía cinética ; la otra modalidad de partículas físicas, las partículas de radiación o bosones (fotones), mantienen su velocidad pero ganan o pierden masa (frecuencia y energía) al ganar o perder energía cinética (solo dentro de campos gravitatorios, debido a su neutralidad eléctrica, como veremos en el siguiente capítulo).
    Los resultados del experimento de Bertozzi son equivalentes si se aceleran partículas en campos gravitatorios pero estos son muy débiles para que dichas partículas lleguen a tan altas velocidades salvo en las inmediaciones de los conocidos agujeros negros. No obstante, los fundamentos son los mismos y tal gráfica la verifican partículas neutras fermiónicas (como los neutrinos e incluso compuestas como el neutrón) verificándose la limitación de las velocidades en “C”.

c)La masa y la energía externas para bosones : El espectro electromagnético relativo (desplazamientos de frecuencia por efecto Doppler)  para bosones libres. Bosones sometidos a fuerzas gravitatorias-inerciales (desplazamientos por efecto Einstein) : Modo continuo y modo cuántico (naturaleza de los gravitones).    

Los entes tangibles de la Esencia física son la Materia y la Radiación. En realidad, ambas modalidades de existencia-presencia de la Esencia física son dos caras de un mismo ente , la Radiomateria, pues experimentalmente se tiene que la Radiación se transforma en Materia y viceversa en los procesos de materialización y aniquilación de pares partícula/antipartícula. Ambas poseen una doble propiedad que le confiere existencia (masa) y presencia (energía) , en una propiedad dual o conjunta o “masergia” pues la realidad física nos muestra que la masa se transforma en energía y viceversa. Estas dos dualidades se complementan  con la tercera dualidad onda-partícula según nos muestra De Broglie. Como exposición de la complementariedad o dualidad de ambos extremos de la radiomateria, se recuerda que la Radiación, formada cuánticamente por “bosones” como los fotones,  no existe en reposo por tener masa de reposo o intrínseca nula mientras que los fermiones o cuantos de la materia sí poseen masa de reposo formando estructuras (la materia)en el reposo. Por otro lado, los bosones pueden variar sus energías y existe toda una gama de bosones de distintas energías pero sin alterar su velocidad, única para todos que es la constante espacial y temporal “C”. Al contrario, los fermiones pueden tener toda gama de energías y velocidades pero estas no pueden superar la velocidad “C”. 

                                                                                                                                                                             Otro aspecto complementario de bosones y fermiones es que aquellos se originan a partir de variaciones intensas puntuales de energía de pares de estos (cuando la energía mecánica ya no es continuamente constante y salta cuánticamente su valor, transformándose en un bosón que transporta dicho salto energético a la velocidad luz al exterior) mientras que un bosón suficientemente energético (bosón H) puede generar fermiones. La Relatividad y la Física Cuántica dejan su sello en los fenómenos entre bosones y fermiones. El bosón (bosón libre o fotón) es doble protagonista de la Física del Universo como partícula relativista a V=C y como  salto cuántico  energético  en situaciones extremas de puntualidad, instantanealidad e intensidad energética (fenómeno cuántico y fenómeno inelástico respecto a las energías mecánicas). Mientras que la energía intrínseca de las partículas fermiónicas son valores universales, sus energías ligadas al espacio –tiempo o energía cinética son relativas, dependiendo del sistema de referencia y, concretamente,   Ec= Mo  C2 /Raiz(1-V2/C2)  -Mo C2  .  Tan solamente variar la velocidad respecto a un sist. Referencia o cambiar de sistema de referencia, tenemos distintas energías cinéticas. Una fuerza externa que ejecute un trabajo físico sobre la partícula tendrá como efecto la variación de la energía cinética conjuntamente con las energías potenciales(sean eléctricas o gravitatorias aunque para fotones, solamente les afectan las fuerzas gravitatorias). ¿Qué ocurrirá con las partículas bosones que no pueden variar su velocidad porque es la única mínima y máxima a la que se pueden desplazar? .Para bosones , toda la energía cinética que poseen se expresa   Ec= m C2 , siendo “m” , la masa “cinética” o inercial de movimiento(por esta razón la luz ejerce “presión de radiación”) y cuanto mayor es “m”, el fotón pertenece a una radiación de mayor energía individual(Einstein) y mayor frecuencia (Planck). La energía cinética de los bosones, al igual que los fermiones, es relativa pero esta vez el factor relativo es la “masa m”, e igualmente, la frecuencia “f”, efecto relativo que recibe el nombre de “efecto Doppler”.Si las fuentes de fotones se alejan o se acercan al observador, enviará fotones a la única velocidad v=C, pero la masa o la frecuencia (m= Ec/C2=h f /C2) son relativas, siguiendo la ecuación de Doppler que relaciona la frecuencia medida con el foco en reposo relativo al observador y la frecuencia medida con el foco en movimiento (a velocidad V). El efecto Doppler para ondas electromagnéticas y fotones es:

f´= f(1-v/C)/Raiz(1-v2/C2) 

Este es el efecto relativista en la medida de frecuencias, masas o energía en bosones (fotones) por la relatividad especial de Einstein.   Otro efecto importante que modifica la energía de los fotones es la gravedad: Cuando un fotón cae a un centro atractivo gravitatorio o huye del mismo, la energía total (suma de energía cinética más potencial gravitatoria) se conserva Et=Ec+Eg =cte, de modo que al variar la parte gravitatoria, varía la parte cinética (derivado de la teoría de la relatividad general ya que la luz teniendo masa inercial asociada de movimiento también es sensible a la gravedad, principio de equivalencia),variando una vez más su masa , frecuencia y la dirección de su trayectoria (efecto gravitatorio de Einstein y Eddington),aunque no varía para nada el módulo de la archiconocida velocidad(pero sí puede variar su dirección o trayectoria ,lentes gravitacionales). Como se deducirá más adelante en el capítulo “fotones en campos gravitatorios intensos (agujeros negros)”, la frecuencia de los fotones afectados por campos gravitatorios está dada por :                                                          f´=f(C2-GM/Ro)/(C2-GM/Rf)    , donde “M” es la masa del centro gravitatorio atractor, Ro, la posición inicial del fotón para frecuencia “f”   y Rf, la posición final donde alcanza la frecuencia “f´”. Un fotón que se aleje de una estrella (para que el efecto sea más notorio la masa M de la estrella debe ser más grande) desde una posición Ro con frecuencia “f”  a grandes distancias hasta llegar a la Tierra, la Rf es prácticamente infinita, resultando una frecuencia observada de :                            f´=f (1-GM/C2Ro) , donde f´ es menor que f  ,  y tanto menor (efecto de corrimiento al rojo de Einstein) cuanto mayor sea la masa estelar M y de más cerca parta el fotón (Ro menor).  Ocurre una situación particular curiosa y es que a partir de una posición especial donde  el paréntesis                   1-GM/C2Ro = 0  ,es decir, Ro* = GM/C2  , para esta posición, sea cual fuere la posición final Rf, la frecuencia final es cero. Interpretación: Para esa posición y menores, no salen fotones(análogo a un cuerpo negro desde donde no salen fotones), están atrapados en el campo gravitatorio de esa estrella donde nos encontramos con  un astro o estrella que se ve negra desde fuera con apariencia de un agujero negro cuyo Ro* asociado se denomina “radio de Schwarzschild” o “frontera de sucesos”, donde el interior del agujero negro queda ópticamente incomunicado pero no así gravitatoriamente (universos tangentes, un único nexo interactivo) ,como ya veremos en su momento.  Los casos anteriores corresponden a fenómenos relativistas donde la energía mecánica de las partículas se conserva y los campos gravitatorios y las aceleraciones no son muy intensas. Para campos gravitatorios extremadamente con potenciales V(r) muy bruscos o intensos que producen en las partículas  altísimas energías,  la energía mecánica del sistema sufre una variación instantánea cuya diferencia  se transforma en otra partícula que saldrá del sistema a la velocidad “C”. En el caso de un sistema “estrella-fotón”, con altísimos  campos gravitatorios (casos excepcionales como, precisamente, en la distancia Ro* de Schwarzschild), el fotón es atrapado cayendo a una órbita estable cambiando instantáneamente de energía en el menor tiempo y menor espacio (de Planck)  expulsando un gravitón. Otro caso paralelo es la absorción de un electrón en un átomo, donde el electrón libre es atrapado por el átomo ocupando una órbita estable expulsando un fotón.  En la desintegración de partículas inestables, la partícula cae a otro estado  más estable, expulsando esta vez el fermión neutrino.  En este caso un fermión da otro fermión (conservando la carga pero disminuyendo la masa) más una partícula que dispersa masa-energía y se lleva cantidad de movimiento(neutrino). En aquel caso, un fotón da otro fotón (conservando la velocidad pero disminuyendo la energía) más una partícula que dispersa masa-energía o gravitón. En ambos casos paralelos, las partículas sufren desviaciones en sus trayectorias.  Para fotones en campos gravitatorios tenemos fenómenos continuos relativistas o fenómenos cuánticos con la introducción del bosón del bosón, o gravitón (doblemente bosón porque funciona como el evacuador de energía de los evacuadores de energía o fotones). Dado que las variaciones de energía en fotones puntualmente son efímeras, las energías de los gravitones son las menores de todo el espectro (el gravitón pertenecería al espectro electromagnético pero en su rango inicial de los valores más pequeños, pues la diferencia entre fotones y gravitones es ya cuantitativa, al ser ambos partículas energéticas sin carga, similares cualitativamente). Captar gravitones es tarea hartamente difícil dado su despreciable energía y frecuencia, con longitudes de onda gigantescas y de dificilísima detectabilidad, creo que del orden de dificultad de los neutrinos e incluso  más. Producir un gravitón supone enormes campos gravitatorios y aún así, tal gravitón estaría enmascarado y oculto entre los mismos fotones ya que las energías EM son muy superiores a las gravitatorias. Es como tratar de diferenciar una tonelada de una tonelada más un miligramo, con las balanzas convencionales. Más aún, estos gravitones nacen en lugares de altísimos campos gravitatorios de manera que al huir al exterior hacia nosotros, se ve reducido drásticamente sus energías y frecuencias por el efecto gravitatorio de Einstein(véase el capítulo de agujeros negros y fotones). En resumen, tenemos dos tipos de partículas físicas : Los fermiones con su modalidad “dotados de carga eléctrica” que constituyen la materia (y la antimateria) totalmente perceptibles y los fermiones neutros casi imperceptible que forman la materia oscura ; por el otro lado, los bosones en su modalidad de nucleares de gran notoriedad indirecta pues están confinados en el núcleo y los fotones, de evidente notoriedad, a los que se añaden los bosones gravitones prácticamente imperceptibles (que merecen bien el nombre de energía fantasma).

d)Escala de Planck de la energía (masa) : Gravitones, fotones, debilones, gluones, neutrinos, fermiones estables con carga, neutrón, etc .La energía de Planck (el intervalo inexplicado ).       

Figura nº 14

       

La escala de Planck es un diagrama que recoge todas las energías/masas posibles que puede albergar un punto físico material (fermiones) o un punto radiativo con energía cinética (bosones),desde el punto de vacío de energía cero a la máxima energía o bosón de Planck correspondiente a un agujero negro puntual lleno de energía Epl = Raiz( h C5 /G)de valor 4,91exp9 julios/punto físico = 3exp19 GeV/punto máximo. Esta escala parte desde la partícula de energía-masa-frecuencia cero o punto de vacío, continuando con los bosones menos energéticos que existen correspondiente a la interacción más débil de la naturaleza, es decir, los gravitones. Mezclándose los gravitones más energéticos con los fotones menos energéticos del extremo inferior a los fotones de las ondas de radio, TV, radares y telefonía móvil. Aquí se inicia el espectro electromagnético para seguir  con las microondas e infrarrojos y continuar el importantísimo intervalo de fotones u ondas EM visibles o “luz”. Luego tenemos los fotones ultravioletas, los fotones de rayos X y los de rayos gamma. El espectro EM continúa con unas partículas muy  energéticas como son los rayos cósmicos (más exactamente con sus productos en colisión con la atmósfera). Antes ya habían empezado a situarse las energías que generan a los diversos neutrinos. Más tarde, los bosones H que crean a los electrones/positrones(estos ya estables cuyas energías se transforman en masas internas y energías extras, como energías cinéticas). También los bosones H que crean los protones/antiprotones (estos ya estables cuyas energías se transforman en masas internas y energía extras, como e. cinéticas). Entre los anteriores y estos, las energías de los bosones H se transforman en partículas inestables que se desintegran hasta parar al electrón/positrón liberando neutrinos ligeros ( los mesones o de masas intermedias entre los protones y electrones).Con mayores energías que el protón, se pueden forman una inmensa diversidad de partículas inestables (y a mayor energía más inestabilidad, menores tiempos de desintegración del orden de billonésimas y trillonésimas partes del segundo) que desembocan en las conocidas partículas estables ( son los hiperones de masas superiores al protón ). Véase el apartado siguiente. Desde las partículas más inestables conocidas (de masas del orden de 3000 o 3800 veces el electrón) hasta la partícula de mayor energía teórica o bosón de Planck, se extiende un enigmático intervalo vacío (intervalo inexplicado).Para crear en el laboratorio (LHC) partículas de mayor energía se necesitan colisiones de protones o antiprotones a muy altísima energía. Como se verá en la “Teoría del origen esférico del Universo”, los “bosones H originales” que pueblan la esfera inicial del protouniverso, pueden tener muchos niveles de energía posibles siendo estos una constante cósmica microscópica de inicio de un  Universo en concreto. Según sea esta energía por bosón original, así evolucionará el Universo correspondiente. La energía del bosón H original para nuestro Universo debe ser tal que corrobore toda la Historia Natural de nuestro Universo (explique el tamaño, la energía, la masa y el tiempo o edad actual de nuestro Universo) como se analizará más adelante según unas estimaciones. En el intervalo inexplicado vacío se encuentra  nuestro bosón H original  que sería el bosón más energético de la historia de nuestro Universo y solamente existió en el primer cuanto de tiempo de Planck. Inmediatamente inferior en orden energético tendremos las partículas en las cuales se desintegra (series de partículas excelentemente energéticas y excelentemente inestables, superhiperones) hasta llegar precisamente a las partículas creadas en el laboratorio, los rayos cósmicos y las partículas estables. Aún así entre el máximo bosón H nuestro y el bosón de Planck puede haber otro intervalo inexplicable que puede corresponder a “bosones H originales o de inicio”  de otros Universos potenciales  o “posibles” con bosones originales H aún más energéticos que el nuestro (o menos) y así, Universo a Universo (paralelos interactiva o experiencialmente al nuestro) pueden recorrer toda la escala de Planck. Según la energía de este bosón de inicio, así será la historia particular de cada universo particular , como se verá más adelante.

e)Clasificación de las partículas elementales (y el neutrón) estables e inestables (o exóticas). Estabilidad (duración o tiempo medio).     

En la Figura nº 15, observamos el organigrama de la clasificación de las partículas fundamentales (incluyendo al neutrón).En un primer punto tenemos a los bosones que aunque no tienen masa/energía intrínseca  de reposo sí poseen energía  en un amplísimo rango como se ha visto en la escala de Planck anterior. Luego tenemos a los fermiones (con masa interna no nula) que se clasifican verticalmente por su carga (nula, carga negativa y carga positiva) y horizontalmente de izquierda a derecha ordenados desde menor masa a mayor masa. Vemos los “leptones” que son las partículas más pequeñas (salvo el muón y el tauón) como el electrón y el positrón, ambos con carga y los neutrinos neutros. A la derecha observamos los “hadrones” o pesados que se subclasifican en “bariones” (medio pesados o mesones  y pesados o nucleones, estos forman parte de los núcleos atómicos) y los más pesados conocidos que son los “hiperones”. En este esquema se indican los fermiones estables y el resto (mesones, hiperones, muones y tauones) son inestables. Los mesones evolucionan para convertirse en los estables electrones, positrones y neutrinos. Los hiperones evolucionan para convertirse en los anteriores y , además, en protones, antiprotones y neutrones. Los neutrones se mantienen en los núcleos más o menos estables y de desintegran fuera de ellos. Para poder ver partículas más másicas y energéticas que las mayores de aquí habría que remontarse al origen del Universo cuando los bosones H superenergéticos dieron lugar a un par de partícula/antipartícula hipermásicas y cada una de ellas se fueron desintegrando en otras menos energéticas con expulsión de diversos neutrinos. La desintegración de un núcleo inestable sigue la ley estadística de Rutherford de la radiactividad con una expresión N=Noe(-lt)  , con tiempo de semidesintegración T=ln2/l      (l es constante desintegración) , o tiempo necesario como para que la población de partículas originales se reduzca a la mitad en su desintegración (es una ley estadística regular temporal,pues no se puede prever que una partícula concreta se desintegre en un momento dado).Desde el punto de vista espacial, las partículas se dispersan en todas las direcciones del espacio a modo de haz radial equiprobable e isótropamente.

f)Naturaleza del bosón creador de masas para partículas materiales (Bosón H). 

Con respecto a la creación de la materia, tenemos varios frentes : El fenómeno de la materialización/aniquilación  de fotones/partículas materiales-antimateriales , la emergencia de partículas materiales a partir del choque de protones a muy alta energía en los aceleradores de partículas y  el mismísimo Big Bang en el origen del Universo. Si se trata de la creación de partículas, estas son las situaciones físicas que debemos analizar y, con ello, descubrir algo sobre la naturaleza de la supuesta “partícula madre” de las partículas materiales (fermiones)  y , más adelante, de las partículas de transmisión de energía o bosones.                                                                                             Es bien conocido el doble fenómeno directo e inverso de la aniquilación de pares partícula-antipartícula y la materialización del mismo  a partir de un fotón de muy alta energía. Si atendemos al concepto fundamental de “partícula generadora de masa o que crea partículas materiales” muy bien puede ser que un fotón de muy alta energía sea el responsable de la generación de la materia, aunque tenga como contrapartida la generación de antimateria.

Figura nº 15

                                                                                                                                                                                          Paul Dirac, predijo teóricamente la existencia potencial de las partículas antimateriales y, posteriormente, Anderson (1933) confirmó la existencia del electrón positivo o positrón en los fotones de altísima energía de los rayos cósmicos. Un fotón de altísima energía (más allá de los fotones gamma) se “desdobló” en un electrón negativo clásico (se visualizó en la cámara de burbujas curvándose en un sentido en un campo magnético) y otra partícula idéntica en masa pero de carga positiva( se visualizó en la cámara de burbujas con una curva idéntica, revelando la misma masa, pero en sentido contrario, revelando la carga opuesta positiva) : Era el electrón positivo o positrón. La sorpresa, salvo la advertencia de Dirac, fue espectacular ¿Cómo hemos encontrado en un experimento de laboratorio puntual algo que no habíamos encontrado en ninguna parte antes?¿de qué o de dónde sale?. Para más sorpresa, dicho positrón se unió al primer electrón que se encontró y se “aniquilaron mutuamente”. Balance: Nos quedamos igual que antes. Solo ha sido una aventura de menos de diezmilésimas de segundo.

Fotón muy energético………………Electrón (-)  + Positrón (+)  (materialización)                               Positrón(+)   +  Electrón(-)………….Fotón muy energético  (aniquilación)

Respecto al presente artículo ¿Qué papel juega la supuesta partícula H o bosón H   entendiendo como tal a la creadora de partículas materiales fermiónicas (con carga)?  ¿Se trata de un fotón de alta energía que debe tener como mínimo una energía equivalente a la masa en reposo de ambas    partículas materializadas, es decir,  E mínimo  = 2 Me C2?   Se dice como mínimo porque después de generarse deben separarse venciendo la fuerte atracción eléctrica desde la mínima distancia física o distancia de Planck, hasta dejarlas independientes. Si  tenemos un fotón 1860 veces más energético que el anterior el proceso es paralelo para materializar protones y antiprotones. El nombre de la  partícula H, se debe a que la “H castellana” es muda y esta partícula es nula de carga, no tiene presencia al ser la partícula más inestable de la física , no llega a desplazarse, es una partícula en el  espacio pero no en el tiempo, y solamente tiene existencia de mínima duración pero con gran energía, la suficiente para , al menos, generar partículas (con poca energía, partículas como los  electrones con  más energía generan los protones y las demás más másicas pero altamente inestables) .

Veamos el segundo frente : Cuando dos protones a altísimas energías como las que consiguen los aceleradores modernos de partículas chocan frontalmente ( y debe ser frontalmente, porque sino, lo único que se consigue es dispersarlos por repulsión electrostática) , los protones resultantes siguen conservando su identidad al ser partículas estables, tienen una energía muy inferior a las iniciales y ese defecto de energía o defecto de masa equivalente, ¿en qué se ha transformado?. Si ese defecto de energía no alcanza a la masa mínima de una partícula estable como el electrón, se transformará en fotones de alta energía (producción de rayos X o gamma);contrariamente, si alcanza para materializar a un electrón junto a su positrón (la materialización es un fenómeno simultáneo de creación de materia y antimateria), y algo más de energía para separarlos, entonces, hemos creado materia a partir de los protones originales en colisión. A medida que el defecto de energía/masa sea superior en las colisiones mencionadas, las partículas creadas poseerán masas mayores. Otra cosa es que estas partículas recién creadas sean más o menos estables, asunto que no se trata en este artículo. ¿Dónde está la partícula creadora de masa o de partículas? A medida que las partículas se van acercando hacia la colisión, la zona del espacio comprendida entre tales partículas se va reduciendo mientras la energía  mecánica del sistema se conserva por el momento. Mientras la aceleración o el campo gravito-eléctrico no sea muy intenso, se conservará la energía mecánica siendo un proceso clásico continuo. Pero cuando las distancias son muy reducidas, los campos son mucho más intensos o tales campos forman escalones bruscos de potencial ( en la distancia de confinamiento nuclear existe un escalón de ese tipo, frontera del ámbito nuclear y no nuclear; en la corteza atómica también hay escalones de potencial, donde los escalones son los propios orbitales atómicos o moleculares) las partículas rompen la conservación de la energía mecánica clásica y  salta su valor hacia uno inferior (fenómeno cuántico) , produciéndose en su centro de masas un  bosón instantáneo de energía  :Si su contenido energético no alcanza a transformarse en masa de dos partículas materiales , se convertirá en dos bosones iguales y opuestos(aquí son fotones de alta energía ,gamma) ;pero si  hay energía para generar partículas materiales formará dos ,partícula y antipartícula, y en tal caso decimos que el bosón formado en el centro de masas que no ha llegado a desplazarse sino que instantáneamente se ha materializado, se denomina bosón generador de materia H .  

Figura n º 12

       Por último, un asunto de Astrofísica o de Cosmología: La creación de la materia en el origen del Universo. Como hemos visto, la única manera que conocemos como  creación de materia es a través de una energía localizada en un bosón H en la materialización generada en los intersticios (en su centro de masas)de protones en colisión frontal por la súbita pérdida de energía mecánica que  generan un par partícula/antipartícula. En el origen del Universo, entendiendo por tal  la emergencia de la materia a partir de un punto central  (según el modelo de origen puntual de la explosión del Big Bang de Lemaître ) , las partículas materiales altamente energéticas partieron de la materialización de partículas anteriores que deben ser de energía o bosones originarios. No obstante, esta creación simétrica de materia y antimateria tiene un punto controvertido : Si bosones energéticos generan partículas    y   antipartículas  y solamente conocemos la versión material de dicha creación original, ¿dónde están las antipartículas y, por añadidura, la antimateria en el Universo? Están apareciendo teorías que fuerzan a la naturaleza a crear más materia que antimateria  porque, al parecer, no encontramos astros o galaxias de antimateria. Este asunto podría desarrollarse en otro artículo, pero se puede adelantar un detalle bastante significativo : ¿de qué manera pretendemos detectar a distancia la antimateria? A no ser que observemos el entrecruzamiento de astros y antiastros generando aniquilaciones hipercatastróficas con la consiguiente emisión de radiación EM de altísima energía y frecuencia. O bien, tener en cuenta lo siguiente: ¿Es distinta la luz que envía el salto de un electrón en órbita respecto a un protón, de la luz del salto de un positrón en órbita alrededor de un antiprotón, entre los mismos niveles de energía ? La simetría en estas situaciones nos dicta que no, y por tanto, la imagen de la materia y de la antimateria es “ópticamente idéntica ”(una foto de un bloque de hielo de materia y otra de antimateria son idénticas).El fotón es una partícula transportadora de la energía que se gana/pierde entre dos cargas( positiva o negativa) y viceversa , en sus vaivenes separándose o alejándose mutuamente. No podemos distinguir galaxia de antigalaxia, salvo que se crucen en la mayor explosión  posible. Además, tampoco podemos distinguir gravitatoriamente materia de antimateria como podemos comprender (la masa de la materia y de la antimateria es idéntica en signo, positiva, y en cantidad, masa electrón=masa positrón y masa protón=masa antiprotón) .Es curioso contemplar que la mitad del Universo sea antimateria que se expande en una región bien alejada de la otra mitad de materia y no podamos distinguirla ni óptica ni gravitatoriamente. ¿Qué clase de geometría dipolar debe tener el Universo para explicar este enigma? Se verá más adelante.

         El denominador común de las tres situaciones analizadas en este artículo ( la materialización por fotón de alta energía, la pérdida de energía en la colisión directa de protones y el origen de la materia )  es que una partícula energética instantánea (bosón H)se transforma en partículas materiales y antimateriales , durante un tiempo prácticamente nulo o instante físico (tiempo cuántico de Planck). Dicha partícula es “altamente inestable” y ,por tanto ,no la detectamos moviéndose en el espacio-tiempo, sino que solamente se localiza en un punto del espacio (el centro de masas de las cargas implicadas)pero no se desplaza en el tiempo, no se mueve, pertenece tan solamente a las tres dimensiones del espacio. Dicha partícula, no pertenece a la dimensión temporal dada su máxima inestabilidad. Tal partícula posee una E (energía) y una M( masa equivalente ) en cada punto del espacio relacionadas por E/M=C2  , siendo C2  una constante espacial universal  y también constante temporal eterna   y allá donde una energía se condense en un punto, genera una masa equivalente en dicho punto  y puede construir partículas materiales si dicha energía supera a la energía de reposo de partículas materiales productos; y si dichas masas son excesivamente elevadas e inestables, se desintegrarán hasta decaer en las famosas “partículas fundamentales estables “, es decir, el protón, el electrón, el positrón y el antiprotón (las correspondientes masas cuánticas estables son constantes universales, por ley). “A tal bosón energético generador del par partícula y antipartícula, presente instantáneamente en un punto espacial, se le denomina “Bosón  H”. Este es el origen de la materia electromagnética sea ordinaria o antimateria. Dicho bosón, como todos, se origina por la transformación de la energía de un sistema de dos cargas eléctricas (misma masa  pero de cargas opuestas) en un fenómeno cuántico donde las energías mecánicas saltan a valores inferiores transformándose, precisamente, en esa partícula de energía (en un proceso no continuo o cuántico).                                        

g) Creación de neutrinos

   Mientras que la pérdida puntual e instantánea de energía mecánica de un par de cargas eléctricas genera un bosón y este , con la suficiente energía, crea un par de partículas materiales con cargas opuestas,     las partículas altamente inestables que pueden surgir de la  materialización anterior (porque sus energías son enormes y sus masas están fuera de los valores estables preestablecidos por la naturaleza )  rápidamente se descomponen en otra partícula, ya más estable , con la misma signatura o carga (este “tinte” o aspecto cualitativo se conserva)  pero con menor masa/energía interna , expeliendo una misteriosa partícula neutra   con la cantidad de movimiento y energía cinética  necesarias para que se respeten los principios de conservación de la energía , la cantidad de movimiento y ,por supuesto, la carga eléctrica. Tal partícula fue sugerida por Pauli precisamente para justificar tales principios de conservación. Le dio el nombre de “neutrino”. Esta es una forma en la que la naturaleza transforma energía inercial de una partícula muy másica e inestable en otra menos másica pero más estable, hasta que en una cadena de transformaciones, desemboque en las archiconocidas partículas fundamentales estables (estables porque poseen la masa/energía internas o propias justamente las que la naturaleza prescribe como tales, siendo dichos valores constantes universales). El neutrino es  una partícula también estable , con la masa interna  y velocidad adecuada para cumplirse tales  leyes físicas de conservación, y son de tres modalidades : Neutrino electrónico , neutrino muónico y neutrino tauónico. Para la descomposición de partículas inestables no muy másicas interviene el primero, para las medianamente másicas, el segundo   y para la desintegración de grandes partículas, el tercero.  Solamente incidir en que la energía inercial de partículas  inestables de un signo se transforma en energía inercial más estable del mismo signo  y en energía inercial de  partículas neutras o neutrinos ,conservándose la carga eléctrica.  ¿Qué diferencia hay entre un bosón y un neutrino?  :  El primero es fruto de la interacción de dos partículas cargadas y surge en el centro de masas de ambas evacuando energía a velocidad C o generando directamente un par partícula/antipartícula materiales electromagnéticas. El segundo es fruto de una sola partícula de cualquier signo pero altamente inestable (masas/energías internas fuera de las estables preestablecidas) que surge llevándose la energía sobrante y dispersándola siendo  fermiones con masa en reposo no nula (velocidades inferiores a C) . El bosón es fruto de la transformación de energía externa (energía interactiva gravitatoria o electromagnética potencial) de los pares de partículas en un proceso intenso no continuo (energías mecánicas ligada al espacio-tiempo o cinética externa y a la interacción, energías potenciales externas sobre todo electromagnéticas) para evacuarla o dispersarla en energía externa cinética pura a la máxima celeridad C en forma de partícula energética ; por otra parte, el neutrino es fruto de la inestabilidad interna de una sola partícula para evacuar  su energía interna en otras partículas también con energías internas (los neutrinos son fermiones)  y con sobrante de energía cinética externa y energía másica debido a la masa sobrante de la partícula original inestable .Los neutrinos tienen masa de reposo por lo que existen en reposo aunque no pueden alcanzar la velocidad C de los bosones. Los neutrinos tienen tres masas cuánticas internas estables y la masa interna de los bosones es nula (los primeros tienen energía inercial de reposo y de movimiento o cinética mientras que los segundos solamente energía cinética pura). Los neutrinos se desprenden de las partículas energéticamente inestables con altísima probabilidad y más aún si es mas inestable (de mayores masa/energía interna), pero el proceso contrario, ser absorbidas es probabilísticamente casi nula (un neutrino puede cruzar sistemas materiales muy densos y enormes sin ser absorbidos como a través de planetas enteros) ; los bosones son desprendidos de pares de cargas eléctricas (acercamiento protón-electrón en la interacción electromagnética , para fotones; alejamiento protón-protón en la interacción electrofuerte para gluones; acercamiento protón-electrón en la electrodébil  para debilones;  acercamiento cuántico gravitatorio  para gravitones) e inversamente son absorbidos (procesos inversos).Para bosones H, estos son creados en la aniquilación ,o bien, en las brutales colisiones de partículas en aceleradores artificiales o en los rayos cósmicos en la atmósfera ,o poe último, en el nacimiento del Universo; son transformados en pares partícula/antipartícula en la materialización (procesos instantáneos puntuales). Comparando una vez más los neutrinos con los bosones (ejemplo, los fotones), los fotones transportan energía cinética pura  sin energía derivada de la masa material (ya que no tienen masa de reposo) fruto solamente de cambios en la energía de pares de cargas como se ha dicho por lo que todo bosón no son más que energía pura o partículas de interacción  ; los neutrinos transportan energía inercial total, tanto en su parte cinética como en la parte de masa de reposo (por eso, tienen masa en reposo). Son las dos formas que tiene el Universo de evacuar masa y energía : La radiación fotónica que lo hace a la máxima velocidad  aunque por el camino es fácilmente absorbible  y los haces de neutrinos  a menores velocidades aunque por el camino es difícilmente absorbible. Se podrían añadir los gravitones aunque estos aportan muy poca energía a los procesos físicos del Universo.    En todo caso, desde puntos altamente energéticos se evacua energía/masa radialmente a los exteriores (uniformando el espacio, disminuyendo la densidad energética, aumentando la entropía, según el principio de dispersión o bien el 2º principio termodinámico) como ocurrió en el nacimiento del Universo cuando los primeros neutrinos originados dispersaron más eficazmente masa/energía que los fotones  que se encontraban atrapados entre las cargas aunque más tarde, en el desacoplamiento electromagnético de estos empezó la carrera para alcanzar a aquellos (al tener más velocidad, como se sabe) y  actualmente en la “estructura del Universo a mayor escala “ (apartado correspondiente) vemos una aureola electromagnética más externa con una capa neutrínica más interna y ,centralmente, la esfera material-antimaterial.         

                         

h)La teoría de los quarks  : Crítica sobre su carácter de partícula fundamental (papel en la explicación de la presencia de partículas exóticas  y las estables).         

La teoría de los quarks (creada por Murray Gell-Mann ) asigna una estructura interna a todos los fermiones con carga eléctrica con el fin de explicar unificadamente a todos ellos y sus mutuas transformaciones. En base a 6 partículas “supuestamente fundamentales” (y sus antipartículas)con cargas fraccionarias de 1/3 y 2/3 de la carga fundamental clásica y jerarquizadas en tres familias con distintos contenidos crecientes en masa/energía internas, se construyen todas las partículas hadrónicas estables e inestables que se han encontrado en los laboratorios y en los rayos cósmicos. Sin embargo, no se han encontrado esos componentes internos denominados “quarks” en modo libre ni tales partículas responden a la condición básica de que sean fundamentales (en la cromodinámica cuántica, tales partículas se transforman unas en otras, por lo que no son fundamentales en el sentido de que no tienen estructura interna ni estabilidad ,como sí lo son los neutrinos, protones y electrones y sus antipartículas).Los hadrones pueden formarse partiendo de tales   quarks (arriba, abajo , extraño , etc) y sus antiquarks ,de manera que sus cargas contabilicen cargas enteras observables, y explicar las propiedades de grupos de partículas con regularidades internas (grupo de 8 o 10 partículas).Ejemplo, para el protón se unen la partícula “up”, otra “up” y otra “down” y para el neutrón “up” , “down” y “up”. La teoría de quarks está integrada en el Modelo Estándar de las partículas fundamentales y a dichas partículas se añaden los leptones (electrón, muón y tauón) junto a los neutrinos correspondientes, ya vistos, y sus antipartículas : En total, 24 partículas fundamentales en el lado de las partículas materiales o fermiones  forman la base de la realidad física según este modelo. Habría que añadir los bosones de las distintas interacciones , el gluón, el bosón intermedio o debilón, el gravitón y el fotón, amén del último que tiene el papel de generar a todos que es el “bosón de Higgs”. En las colisiones entre partículas para detectar alguna estructura interna en los hadrones, los quarks no eran observados sino que se generaban más hadrones aún (la energía de las colisiones inelásticas se invertían en nuevas partículas).El modelo los quarks  era una ficción matemática que de alguna manera funcionaba para explicar la diversidad de hadrones y sus propiedades en grupos. La imagen mental de las partículas (propuesta por Kenneth) consistía en una bolsa de quarks atrapados permanentemente a modo de burbuja ;en las colisiones entre hadrones (entre protones, por ejemplo)  lo único que se conseguía era  generar más quarks , de manera que  esa energía extra de colisión se invierte precisamente en crear más partículas quarks-antiquarks y nunca se visualizan tales quarks sino que se separan partículas enteras sí observables (esta dinámica interna de las partículas se denomina cromodinámica cuántica). Mientras que la teoría de los quarks se basa en 12 partículas fundamentales que se combinan para dar todos los hadrones , el modelo dado aquí se basa en que todas las partículas exóticas son estados sobreenergéticos/sobremásicos internas e inestables de partículas físicas que al fin y al cabo se desintegran para generar los estados estables dados (preestablecidos como constantes físicas , en la masa del electrón, del protón y los tres neutrinos). Las partículas observables de larga duración son estas y las de duración instantánea son aquellas . Este es un modelo más simple y basado en lo que se observa. En este texto seguiremos el modelo basado en que las partículas fundamentales son el protón, el electrón y los tres neutrinos, siendo todas las demás partículas estados sobrexcitados. El neutrón queda como una partícula compuesta de un protón y un electrón bajo la interacción electrodébil estando aislado (cierta inestabilidad) y con las interacciones completas electronucleares dentro de los núcleos atómicos (donde los pares electrón-protón , es decir, los neutrones, adquieren gran estabilidad) . Se podría adaptar esta visión a la teoría de los quarks o viceversa. Veremos este modelo en toda esta obra y en un capítulo posterior desarrollaremos la dinámica de las partículas para que se generen partículas de tan altísima energía/masa  (exóticas) y den lugar a las de la materia ordinaria, antimateria y materia oscura.