El secreto del universo (46 page)

Estos grupos de tres quarks se llaman
bariones
, y existen en grandes cantidades.

Pero, una vez más, los bariones con más masa se descomponen rápidamente en otros de masa menor, que a su vez se descomponen en otros de masa aún menor, y así sucesivamente. En este proceso se producen otras partículas secundarias, los mesones, formados por sólo dos quarks. Los mesones no son nunca estables; se descomponen con más o menos rapidez y forman leptones, es decir, electrones y neutrinos.

Pero hay una
ley de la conservación del número bariónico
, según la cual cada vez que se descompone un barión tiene que formarse otro barión, aparte de las partículas secundarias producidas en el proceso. Como es natural, cuando se llega al barión de menos masa el proceso se interrumpe.

Los dos bariones que tienen menos masa son el protón y el neutrón, de manera que cualquier otro barión de las varias docenas que existen desciende rápidamente por la escala de masas hasta transformarse en un protón o en un neutrón. Estos son los dos únicos bariones que se encuentran en el Universo en condiciones normales, y tienden a combinarse entre si de diferentes maneras, formando los núcleos atómicos.

La diferencia más evidente entre el protón y el neutrón estriba en que el protón tiene una carga eléctrica de +1, y el neutrón de 0. Naturalmente, los núcleos atómicos, formados por protones y neutrones, tienen siempre una carga eléctrica de signo positivo y de magnitud igual al número de protones presentes. (También existen antiprotones con una carga de — 1, y antineutrones que se diferencian de los neutrones en sus propiedades magnéticas; estas partículas pueden combinarse entre si y formar núcleos con carga negativa y antimateria, pero eso no nos importa en este momento.)

Los núcleos con carga positiva atraen a los electrones con carga negativa en número suficiente para neutralizar la carga específica de cada núcleo; así se forman los distintos átomos que conocemos. Estos átomos forman moléculas al cederse o compartir electrones.

Pero además el protón y el neutrón tienen masas ligeramente distintas. Si tomamos la masa del electrón como unidad, la masa del protón es 1,836 y la del neutrón, 1,838.

Cuando el protón y el neutrón se encuentran combinados en los núcleos, tienden a equilibrar sus propiedades y llegan a convertirse en partículas verdaderamente equivalentes. Por tanto, cuando están detrás del núcleo pueden agruparse bajo la denominación común de
nucleones
. En esa situación todo el núcleo es estable, aunque en algunos núcleos la unión de protones y neutrones no ocurre en las proporciones adecuadas para que pueda producirse esta equivalencia; éstos son los núcleos radiactivos; pero esa es otra historia.

Sin embargo, cuando el neutrón se encuentra aislado no es una partícula estable, sino que tiende a descomponerse en protones de masa ligeramente menor. Al hacerlo emite un electrón, que lleva una carga negativa y deja al antiguo neutrón con una carga positiva. (Esta formación simultánea de una carga negativa
y
otra positiva no constituye una violación de la ley de la conservación de la carga eléctrica.) También se forma un neutrino.

La diferencia de masas entre el protón y el neutrón es tan pequeña que el neutrón no se descompone inmediatamente. La vida media de un neutrón aislado es de unos doce minutos.

Esto quiere decir que el neutrón sólo puede existir durante un intervalo de tiempo considerable cuando se encuentra en combinación con los protones en el núcleo atómico. Sin embargo, el protón puede llevar una existencia aislada durante periodos de tiempo indefinidos y puede formar él solo un núcleo atómico, circundado por un solo electrón, formando el átomo de hidrógeno ordinario.

Por tanto, el protón es el único barión verdaderamente estable que existe. Junto con el electrón y el neutrino (además de algunos neutrones que se encuentran en los núcleos atómicos) representa prácticamente la totalidad de la masa en reposo del Universo. Y como los protones sobrepasan en mucho al resto tanto en cantidad como en masa en reposo individual, representan el 90 por 100 de la masa de, por ejemplo, las estrellas. (Es posible que los neutrinos representen una masa total mayor que la de los protones, pero se encuentran sobre todo en el espacio interestelar.)

Pero veamos qué ocurriría si invirtiéramos la situación y fuera el neutrón el que tuviera una masa ligeramente menor que la del protón. En ese caso, el protón sería inestable y se descompondría formando un neutrón, y al desprenderse de su carga eléctrica emitiría un antielectrón con carga positiva (y un neutrino). Estos antielectrones anularían todos los electrones del Universo, además de la carga eléctrica de los dos tipos de partículas, y sólo quedarían los neutrones y neutrinos. Los neutrones, sometidos a la atracción de su campo gravitacional global, se agruparían en pequeñas estrellas de neutrones, que serían las únicas estructuras de importancia presentes en el Universo.

Por supuesto, la vida tal como la conocemos sería totalmente imposible en un Universo dominado por los neutrones, y tenemos que dar gracias a nuestra buena suerte por el hecho de que la masa del protón sea ligeramente menor que la del neutrón y no al revés, pues gracias a ello tenemos estrellas en expansión, y átomos… y vida.

Por tanto, todo depende de la estabilidad de los protones. ¿Hasta qué punto son estables? Las mediciones realizadas no muestran ningún indicio de descomposición de protones, pero estas mediciones son de una precisión y delicadeza limitadas. Es posible que esta descomposición sea demasiado lenta y que escape al poder de detección de nuestros instrumentos.

En la actualidad, los físicos están desarrollando la llamada Gran Teoría Unificada (GUT), con la intención de encontrar una descripción general que englobe la interacción electromagnética (entre partículas con carga eléctrica), la interacción débil (entre leptones) y la interacción fuerte (entre quarks y agrupaciones de quarks como los mesones, los bariones y los núcleos atómicos).

Según la GUT, cada una de estas tres interacciones se realiza por mediación de las
partículas de intercambio
, cuyas propiedades vienen definidas por la necesidad de ajustar la teoría a los hechos conocidos. La partícula del intercambio electromagnético es el fotón, una partícula conocida y muy bien estudiada. De hecho, la interacción electromagnética ha sido perfectamente descrita por la electrodinámica cuántica, que es el modelo para el resto de la GUT.

La interacción débil se realiza por mediación de tres partículas, cuyos símbolos son W+, W– y Z°, que todavía no han sido detectadas. La interacción fuerte se realiza por mediación de al menos ocho «gluones», cuya existencia está suficientemente probada, aunque de manera indirecta.

Cuanto mayor es la masa de una partícula de intercambio, menor es su alcance. La masa en reposo del fotón es igual a cero, de manera que la interacción electromagnética es de muy largo alcance, y sólo disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia. (Lo mismo ocurre con la interacción gravitatoria, cuya partícula de intercambio es el gravitón, de masa cero; pero la interacción gravitatoria por el momento ha resistido todos los esfuerzos por integrarla con las otras tres.)

Las partículas de intercambio de la interacción débil y los gluones tienen una masa considerable, y por tanto la intensidad de su influencia disminuye tan rápidamente con la distancia que sólo es posible medirla a distancias comparables a la del diámetro del núcleo atómico, es decir, la

décima parte de una billonésima de centímetro (10
^–13
centímetros) aproximadamente.

Sin embargo, para que la GUT tenga validez parece necesario que existan al menos doce partículas de intercambio más, de masa mucho mayor que la del resto de estas partículas, y por tanto de vidas extremadamente cortas y muy difíciles de observar. Si
pudieran
llegar a observarse, su existencia constituiría un poderoso argumento a favor de la GUT.

Parece muy poco probable que estas partículas de intercambio ultramasivas puedan ser detectadas en un futuro próximo, pero bastaría con detectar sus efectos, si éstos fueran totalmente distintos de los que produce cualquiera de las otras partículas de intercambio. Y efectivamente existe un efecto con estas características (o, por lo menos,
podría
existir).

Si se diera el caso de que una de estas partículas de intercambio hipermasivas fuera transferida de un quark a otro en el interior de un protón, entonces se habría producido una transformación de un quark en un leptón, con lo que se violarían tanto la ley de la conservación del número bariónico como la ley de la conservación del número leptónico. Al perder uno de sus quarks, el protón se transforma en un mesón con carga positiva que se descompone rápidamente en antielectrones, neutrinos y fotones.

No obstante, las partículas de intercambio hipermasivas tienen una masa tan grande que su radio de acción es de aproximadamente 10
^-29
centímetros, lo que representa tan sólo la décima parte de una milbillonésima (10
^–16
) del diámetro del núcleo atómico. Por tanto, los quarks del tamaño de un punto pueden moverse por el interior de un protón durante muchísimo tiempo, sin que nunca lleguen a estar bastante cerca como para intercambiar una partícula que destruya el protón.

Para hacernos una idea de lo difícil que resulta que un protón se descomponga, imaginémonos que el protón es una estructura hueca del tamaño de la Tierra, y que en el interior de ese enorme vacío planetario hay exactamente tres objetos, cada uno de ellos con un diámetro de una cienmillonésima de centímetro; es decir, aproximadamente del tamaño real de un átomo. Los diámetros de estos «átomos» representarían el radio de acción de las partículas de intercambio hipermasivas.

Si estos «átomos» se movieran al azar por el interior de este volumen del tamaño de la Tierra, tendrían que entrar en colisión para que el protón comenzara a descomponerse. No es difícil darse cuenta de que es probable que esta colisión tardara muchísimo tiempo en producirse.

Los cálculos realizados parecen indicar que la vida media de un protón hasta el momento de su descomposición es de diez millones de billones de billones de años (10
³¹
años). Y tras muchos veranos, el protón muere… pero, desde luego, es tras muchos, muchos,
muchos
veranos.

Para hacernos una idea de la duración de la vida media de un protón, pensemos que generalmente se considera que el Universo existe desde hace 15.000.000.000 años; en palabras, quince mil millones de años; en notación exponencial, 1,5 × 10
¹⁰

La duración previsible de la vida de un protón es de aproximadamente 600 millones de billones (6 × 10
²⁰
) de veces más.

Si consideramos que la extensa vida del Universo equivale a un segundo, entonces la vida media previsible de un protón equivaldría a 200 billones de años. Es decir, para un protón toda la duración del Universo hasta este momento representa mucho, mucho menos que un simple parpadeo.

Teniendo en cuenta la longevidad de los protones, no es de extrañar que no se haya observado ningún signo de descomposición y que los científicos no hayan detectado ningún caso de incumplimiento de las leyes de la conservación de los números bariónico y leptónico, por lo que se las ha seguido considerando leyes universales.

¿Y no es verdaderamente razonable ignorar la descomposición de los protones? No cabe duda de que una vida media de 10
³¹
años se acerca tanto al infinito, a efectos prácticos, que más vale considerarla igual a infinito y olvidarse del asunto.

Pero los Físicos no pueden proceder así. Tienen que procurar por todos los medios medir la duración media de la descomposición de los protones. Si efectivamente es igual a 10
³¹
años, sería un poderoso argumento a favor de la GUT, y si se descubre que el protón es verdaderamente estable, entonces la GUT no es válida, o, al menos, tendría que sufrir importantes alteraciones.

Una vida media de 10
³¹
años no quiere decir que todos los protones vayan a durar tanto tiempo y que, en el momento justo en que haya transcurrido ese número de años, la mitad de ellos se descomponga inmediatamente. Estos objetos del tamaño de un átomo que se mueven por una esfera hueca del tamaño de la Tierra bien pueden, en sus movimientos al azar, entrar en colisión después de un solo año, e incluso de un solo segundo. Por otra parte, es posible que se estén moviendo por el interior de la esfera durante 10
¹⁰⁰
o incluso 10
¹⁰⁰⁰
años sin entrar en colisión.

Pero estadísticamente, dado que hay muchísimos protones, tienen que estarse produciendo descomposiciones continuamente. De hecho, si la vida media del protón fuera de únicamente diez mil billones de años (10
¹⁶
años), en el interior de nuestros cuerpos se produciría tal número de descomposiciones de protones que la radiactividad nos mataría.

Incluso si la vida media tuviera realmente una duración de 10
³¹
años, en este mismo momento se estarían descomponiendo unos treinta mil billones de billones de billones de protones (3 × 10
⁴⁰
)
por segundo
en el Universo considerado en su totalidad, o trescientos mil billones de billones (3 × 10
²⁹
) por segundo sólo en nuestra galaxia, o tres millones de billones (3 × 10
¹⁸
) por segundo sólo en nuestro Sol, o tres mil billones (3xl0
¹⁵
) por segundo sólo en Júpiter, o tres mil millones (3 × 10
⁹
) por segundo en los océanos terrestres.

Quizás estas cifras estén empezando a resultar incómodamente elevadas. ¿Tres mil millones de descomposiciones de protones por segundo en nuestros océanos? ¿Cómo es posible, si su expectativa de vida es tan larga que toda la duración del Universo es poco menos que nada en comparación?

Tenemos que tener en cuenta el pequeño tamaño de los protones y el enorme tamaño del Universo. Incluso teniendo en cuenta las cifras que he dado más arriba, resulta que en un intervalo de mil millones de años en todo el Universo se descompone un número de protones equivalente a la masa de una estrella como nuestro Sol. Esto significa que en todo el tiempo de existencia de nuestro Universo, éste ha perdido una masa equivalente a la de quince estrellas de la magnitud de nuestro Sol debido a las descomposiciones de protones.