LA MASA

EL PROBLEMA DE LA MASA

Las partículas elementales comunes como, por ejemplo, los protones o los electrones, poseen una masa que puede determinarse con gran exactitud de forma experimental. Gracias a la famosa ecuación de Einstein ( E=mc² ), según la cual la masa es una magnitud equivalente a la energía, ésta dependerá de la respectiva velocidad de cada partícula. Sin embargo, existen otras partículas como los fotones o cuantos de luz que no poseen masa pero sí una determinada energía.

La diferencia esencial entre una partícula masiva y un fotón sin masa consiste en que la primera puede moverse a cualquier velocidad que se desee, siempre que sea inferior a la de la luz. Los fotones no tienen esta libertad. Están condenados a moverse siempre a la misma velocidad que la luz. En cierto modo éste es su castigo por no tener masa. Las fórmulas matemáticas de la teoría especial de la relatividad solamente nos indican que existe esta limitación para las partículas de la luz, pero no nos explican nada acerca del motivo. Sabemos tan poco sobre él como sobre la procedencia de la masa. Por lo menos hoy, conocemos con exactitud las masas de las partículas elementales. Por ejemplo, la relación entre las masas del protón y del electrón es exactamente de 1.836,15:1. El protón es, por lo tanto, 1.836,15 veces más pesado que el electrón. Pero eso es todo. Sabemos muy poco del mecanismo que proporciona la masa a las partículas elementales. ¿De dónde procede, por ejemplo, la ingente masa que compone la monstruosa partícula bosón Z?.

Sabemos cómo chocan entre sí y se desintegran los electrones y sus antipartículas, los positrones, y cómo la energía en forma de radiación electromagnética que se produce en las colisiones es capaz de crear nuevas partículas a partir del vacío. Su masa procede siempre de la energía originada durante los cruciales choques desintegradores de los electrones y positrones, coincidiendo con la fórmula de Einstein. En cierto modo es posible crear del vacío partículas más masivas que todas las partículas conocidas hasta la fecha. Naturalmente éstas poseerán a su vez mayor masa que todas las existentes en la naturaleza. Aunque el bosón Z se da ciertamente en la naturaleza, no forma parte de las partículas realmente existentes. Surge de repente como un efímero destello y actúa durante las brevísimas fracciones de segundo antes de su fulminante desaparición como agente invisible y soporte de la denominada interacción nuclear débil; ésta es la fuerza crucial en el proceso de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos.

Todavía no se ha comprobado totalmente el papel que desempeña la singular partícula Z en el coro de partículas subatómicas, pero tampoco tiene decisiva importancia en nuestra búsqueda del secreto origen de la masa. En cambio, lo que sí tiene verdadero interés en nuestro empeño por descifrar las claves ocultas de esta desconocida magnitud física es que podamos producir y estudiar partículas Z de forma rutinaria y en cantidad en el gran anillo del acelerador LEP, de 27 kilómetros de longitud. Pero la vida del bosón Z es tan corta, que ni siquiera los más hábiles y rápidos detectores pueden atraparla, ni rastrearla directamente. Quizá sea por su inmensa masa. No obstante, las que pueden registrarse muy bien son las pequeñas partículas que se forman a partir de la nada, esto es, las nacidas después de la brevísima existencia del bosón Z, en el momento en que este vuelve a transformarse en energía tras su desintegración. Si su energía combinada es tan grande como la de su masa los investigadores no tienen ningún motivo para dudar de que efectivamente una partícula Z ha aparecido y ha vuelto a desaparecer.

Pero regresemos al problema de la masa. Al parecer, Einstein la definió alguna vez como "el hueso más difícil de roer con el que el buen Dios había obsequiado a los físicos". Porque, en efecto, desentrañar sus misterios no es fácil . ¿Por qué tienen masa las partículas elementales ?. Como explicación aún sigue utilizándose la hipótesis postulada por vez primera por el teórico inglés Peter Higgs y sus colaboradores : se sabe que las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza son la gravedad, el electromagnetismo, así como las fuerzas nucleares fuerte y débil en el interior de los átomos. Tampoco es ningún secreto que, según las leyes de la física cuántica, cada una de estas fuerzas actúa en forma de partículas. Todas juntas forman a su vez los campos cuya existencia podemos medir como efecto de la fuerza respectiva. ¿Por qué no añadir a estas cuatro fuerzas básicas una quinta?. Considerando que fuerza y masa son contrapuestas, ésta sería entonces la causa originaria de la masa.

Según la hipótesis del físico escocés, la masa de una partícula elemental no es otra cosa que la potencia con la que esta nueva fuerza - la fuerza de Higgs - actúa sobre la respectiva partícula . La materia común consta fundamentalmente de dos partículas - leptones y quarks - que poseen una masa ínfima. Como el efecto interactivo de esta quinta fuerza sería extremadamente débil en relación con la materia normal, la fuerza de Higgs no ha podido ser observada en ella hasta la fecha. Pero, al igual que sucede en cada una de las fuerzas básicas de la naturaleza, que poseen una partícula subatómica de soporte encargada de transmitir y portar la fuerza - el gravitón en el caso de la gravedad o el fotón en el campo electromagnético-, la fuerza de Higgs habrá de tener también su agente particular. Suponemos que las partículas de Higgs ceden su fuerza, o sea, su masa, a un electrón o a un quark, y luego desaparecen sin dejar huella en el vacío, del que surgieron de forma igualmente espontánea.

Imaginarse este proceso gráficamente es harto difícil. Incluso la fantasía teórica de un físico resulta ineficaz en este empeño. Suficiente con que le concuerden las complicadas fórmulas matemáticas. Por eso, dado que la fuerza de Higgs no se puede observar directamente en la materia normal, los físicos intentan demostrar ahora su existencia de manera indirecta, procurando atrapar sus correspondientes partículas.

Deberían poderse extraer del vacío, de la misma forma que se ha logrado hacer anteriormente con otras muchas partículas. Sin embargo, su búsqueda ha resultado del todo infructuosa. Un fracaso experimental que podría tener relación con la masa de estas huidizas partículas. Porque, si la masa de la esquiva partícula de Higgs - que no ha sido fijada todavía en el marco de las teorías discutidas actualmente - fuera treinta veces mayor que la de los protones ( lo que equivaldría aproximadamente a sólo un tercio de la masa del bosón Z), no podría haber sido descubierta tampoco hasta ahora.

Con la puesta en marcha del nuevo acelerador LHC la situación podría cambiar. La partícula Z es cien veces más pesada que un protón. Ciertos indicios nos permiten estimar que la partícula de Higgs posee una masa algo menor. Si en efecto fuera así, podría esperarse entonces que el bosón Z se descompusiera alguna vez en la partícula de Higgs y otras aún más ligeras. Los físicos que trabajan en los detectores de partículas del LEP esperan ansiosos que se produzcan los primeros acontecimientos. Para ello, los programas de ordenador diseñados con el fin de observar las numerosas desintegraciones atómicas que se producen han sido especialmente preparados para detectar de inmediato cualquier partícula desconocida, como por ejemplo la escurridiza partícula de Higgs. En caso de recibirse uno de estos avisos, la partícula probablemente podría ser identificada. ¿Cómo? Muy sencillo. Porque, a pesar de que no se puede predecir la determinación de su masa, sí puede calcularse la fuerza del efecto interactivo del bosón Z con las partículas de Higgs, en el supuesto de que éstas existan realmente.

De todas formas, parece que su descubrimiento aún puede demorarse bastante tiempo, quizás varios años. Antes de emitir un pronóstico con cierto rigor científico, serán necesarias aproximadamente un millón de desintegraciones de la partícula Z. Y para hacer nos una idea de lo que esta cifra supone, basta con mencionar que hasta finales del año 1989 se habían registrado en el CERN sólo unas cien mil desintegraciones del bosón. Aún resulta extraño que estemos hoy en disposición de transformar de forma rutinaria la materia en energía. Pero más todavía que realicemos el proceso contrario, esto es, que podamos generar partículas de materia a partir de la energía, sin saber con exactitud por qué estas partículas poseen masa. En el caso de la transformación, la antimateria desempeña un papel decisivo. Al investigar en concreto qué es la masa, nos veremos enfrentados a uno de los enigmas que aún quedan pendientes en Cosmología: ¿por qué las partículas que se generan artificialmente en el laboratorio lo hacen siempre por parejas - cada partícula nace con su partícula de antimateria correspondiente - cuando en todo el universo no hemos podido descubrir ni rastro de antimateria?.

Los postulados de la moderna física cuántica pueden establecer, pues, que si en el momento de chocar una pareja de fotones se alcanza un cierto grado de energía suficiente, éstos se transforman espontáneamente en otras partículas masivas. La masa del electrón expresada en unidades de energía es de 0,5 mega electronvoltios (MeV). Tan pronto como los fotones generan una energía media superior a 0,5 MeV, se transforman en un par electrón-positrón. Calcular la temperatura necesaria para ello es fácil: han de obtenerse unos 6.000 millones de grados.

En el universo actual es prácticamente imposible tropezarse con tal magnitud térmica. Ni siquiera en las estrellas, que son astros muy calientes. Poco después de la explosión original, el universo se encontraba infinitamente más caliente que ahora. Electrones y sus antipartículas, los positrones, no surgieron hasta que se enfrió y la temperatura descendió en el cosmos a los 6.000 millones de grados.

Pero ningún científico ha sido capaz de explicar aún por qué no existe en el universo evidencia demostrable alguna de la presencia de antimateria. La suposición actual es que, aunque pueda que se cumpla la ley según la cual la materia y la antimateria se producen a partes iguales a partir de la energía, en última instancia ésta tiene sólo un valor aproximativo. Poco después del Big Bang, en el caldo original surgió una insignificante ventaja de las partículas con respecto a las antipartículas.

La pequeña diferencia no era apreciable al principio, pero en el transcurso del desarrollo cósmico, todos los antiprotones se desintegraron al colisionar con los protones existentes. El sobrante que quedó no fue más que esa insignificante ventaja. Sólo los protones que no hallaron oponente para su destrucción se constituyeron en los ladrillos que formaron toda la materia cósmica que hoy existe. De esta hipótesis se deduce una predicción dramática. Para producir materia -aproximadamente un protón- a partir de energía, hemos visto que no hace falta generar al unísono un antiprotón. En el proceso inverso, durante la desintegración del protón, ésta partícula explosiona dejando como residuo un positrón con carga eléctrica y unos fotones que portan la energía liberada.

En un átomo de hidrógeno, el electrón de su envoltura atómica podría ser aniquilado con el positrón que se genera al desintegrarse el protón. El resultado sería una desintegración total del átomo, la transformación del hidrógeno en energía. De poder acontecer una reacción de este tipo, ante nosotros se abre una expectativa apasionante: una especie de involución a la explosión original.

Los grandes avances logrados por la física de partículas junto al estado actual de nuestra comprensión del Big Bang, indican que la materia no es absolutamente estable en el cosmos, sino que, si se espera un tiempo suficiente, se desintegra en fotones. Para demostrar la desintegración de los protones, se han realizado costosos ensayos desde 1980. Gracias a la técnica experimental actualmente disponible, sólo se puede mostrar una desintegración de protones al año, pero se ha logrado determinar con una buena aproximación la duración media de la vida del protón.

Lamentablemente, la radiación cósmica que cae sobre la Tierra impide conseguir una prueba experimental definitiva. Por eso, un sector concreto de físicos está considerando la posibilidad de realizar estos experimentos fuera de la Tierra. En la Luna, por ejemplo, ya que allí los efectos perturbadores son menores.
Paso a paso, los físicos han ido descubriendo durante los últimos decenios grandes secretos de la materia. Todavía no han podido encontrar el origen real de la masa, pero todo parece indicar que su descubrimiento está próximo. En ello trabajan con ahínco los físicos en los modernos y superpotentes aceleradores de partículas, así como los investigadores que buscan la materia desintegrada en los detectores subterráneos.