Divulgación

El experto responde: ¿Existe algo más pequeño que un electrón?

El escritor y guionista Manuel de Lorenzo pregunta al físico Juan José Gómez Cadenas si los electrones son divisibles o en qué consiste un líquido de espín cuántico.

Dos protones y dos muones chocan en el experimento ATLAS.

Dos protones y dos muones chocan en el experimento ATLAS.

  1. Física
  2. Acelerador de partículas
  3. Neutrinos
  4. Divulgación científica
  5. Descubrimientos científicos

Mi abuelo, que era camionero y por tanto podía hablar de casi todo sin equivocarse, me explicó siendo yo un niño que en la naturaleza no había nada que fuese más pequeño que el átomo. El átomo era la última frontera. El hic sunt dracones de la física. Todo se podía dividir por él y él no se podía dividir por nada. Me explicó, además, que su nombre provenía del latín atomum, y éste a su vez de los términos griegos a (sin) y tomon (corte o porción), lo que convertía al atomum en "lo que no se puede descomponer" o "lo indivisible" desde hacía siglos y siglos.

Mi padre, que era doctor en Filosofía y por tanto podía hablar de muy pocas cosas sin equivocarse, corrigió algunos años después las explicaciones de mi abuelo y me enseñó a bucear en el mundo subatómico de los bosones y los fermiones. Me explicó cómo estos últimos se dividían en quarks y leptones, que junto a los bosones formaban los tres constituyentes más pequeños de la materia, es decir, las partículas elementales. Me mostró las dos maneras en que los bosones interactúan con los quarks y los leptones, derivando en el primer caso en la formación de protones y neutrones. Y me enseñó que el electrón (junto con el muon, el tau y sus tres correspondientes neutrinos) era un leptón. Es decir, una partícula elemental. Sin divisiones ni estructura interna. Uno de los hic sunt dracones -ahora sí- de la física moderna.

Y así, con esas nociones básicas sobre física de partículas, he ido enfrentándome desde entonces a los problemas cotidianos de la vida. Tal vez no sean conocimientos del todo valiosos en la práctica, cuando el ascensor se queda atascado entre dos pisos o, qué sé yo, se te estropea el GPS el medio de la nada, provincia de Pontevedra, pero al menos te dan cierta seguridad. Porque las enseñanzas de tu padre, por inútiles que parezcan, son una de esas verdades rígidas y estables a las que sabes que puedes agarrarte en lo peor del naufragio, cuando todo lo demás se viene abajo.

Y por eso he sentido un temblor en los cimientos, allá por mil novecientos ochenta y algo, cuando he leído en algunos medios que el descubrimiento de un nuevo estado cuántico de la materia demostraba que los electrones no eran indivisibles. Que este nuevo estado, denominado líquido de spin cuántico, implicaba su descomposición.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Materials, es el resultado de la investigación llevada a cabo por un grupo internacional de físicos entre los que se encuentran algunos de la Universidad de Cambridge, y se ha basado en el rastreo, en determinados materiales magnéticos, de la huella dejada por los esquivos fermiones de Ettore Majorana, una partícula subatómica sobre cuya existencia teorizó este italiano en 1937 y cuya característica principal es que se trata al mismo tiempo de una partícula y su antipartícula.

¿Cómo es posible?

¿Pero cómo es posible esa rotura del electrón, habida cuenta de que éste es una partícula elemental y, por lo tanto, indivisible? Estoy habituado a que en ciencia las cosas son lo que son hasta que alguien enciende otra luz que permite observar con mayor claridad, pero la aceptación de la posible descomposición del electrón en partículas más pequeñas abre la puerta a la subdivisión de los demás fermiones y, en definitiva, a toda una nueva dimensión en física de partículas, algo que, cuanto menos, me provoca un escalofrío.

Así que decidí consultarlo con un experto.

Y quién mejor que Juan José Gómez Cadenas, profesor de investigación del CSIC que dirige el experimento NEXT en el Labotario Subterráneo de Canfranc, orientado precisamente a la demostración de que los neutrinos son fermiones de Majorana.

"De hecho, el electrón no se descompone", comienza diciendo Gómez Cadenas. "A día de hoy, todas las pruebas que hemos hecho en física de partículas, aunque hay modelos que postulan que tanto los electrones como los quarks están hechos de objetos aún más pequeños, indican que es una partícula puntual e indivisible".

La afirmación parece chocar frontalmente con lo publicado al respecto por la prensa, colisión para la que este físico tiene una explicación muy razonable: "Otra cosa es lo que sucede en física de materia condensada", dice, refiriéndose a un campo, quizá el más extenso de la física contemporánea, y diferente a la física de partículas, donde se forman estados efectivos que tienen propiedades análogas a las de las partículas elementales, pero que no lo son realmente.

"De hecho, los fermiones de Majorana observados hace poco en experimentos de materia condensada son partículas efectivas, estados no realmente elementales que, sin embargo, tienen las misma propiedades que las partículas elementales. En física de partículas, que no trata con estados de la materia sino con partículas elementales aisladas, todavía no se han observado fermiones de Majorana", añade. Una afirmación autorizada, ya que esa observación es, a fin de cuentas, el objetivo del experimento que dirige.

La trágica historia del genio Majorana

Resulta fascinante. Majorana fue un brillante discípulo de Enrico Fermi cuya personalidad introvertida, torpeza social e incapacidad para las relaciones humanas le hicieron un hombre huraño, de conducta excéntrica y trato difícil, circunstancias que aparentemente lo condujeron al suicidio, aunque existen otras hipótesis más amigas de la rumorología. Sus teorías sobre la existencia de un fermión que sería su propia antipartícula nos sirven hoy, 80años después de su formulación, para la detección de un nuevo estado cuántico de la materia. Resulta fascinante lo antiguo que resulta a veces el futuro.

La física de partículas es esa disciplina antiquísima que sin embargo pertenece a nuestro porvenir. Cada día es el inicio de un nuevo camino que recorremos hacia atrás, sobre todo lo ya imaginado. Reinterpretando al poeta e e cummings, podría decirse que nada es tan actual como el pasado. Nada es tan actual como Majorana, como Albert Einstein y Satyendra Nath Bose, como Fermi y Dirac. A veces el futuro es solo una sutil perspectiva del pasado, y el hecho de que las primeras teorías sobre el líquido de spin cuántico se formularan hace cuatro décadas no hace más que confirmarlo.

"Un estado cuántico de la materia es un estado en el que se aplican las leyes de la física cuántica y no las de la física clásica", comenta Gómez Cadenas. "Un electrón es un estado cuántico de la materia. Un átomo también. En el átomo observamos que los electrones no pueden girar en órbitas arbitrarias en torno al núcleo, sino que esas órbitas son fijas: están cuantizadas. En cambio, el sistema solar es un sistema clásico, el número de órbitas no está cuantizado. A medida que vamos añadiendo más átomos y moléculas al sistema, este va pasando de ser cuántico puro, como por ejemplo un átomo, a ser clásico puro, como un planeta. En física de materia condensada se dan estados con bastantes partículas que, sin embargo, se comportan como cuánticos. A eso solemos referimos cuando hablamos de un sistema cuántico".

Para facilitar la diferenciación entre entre un sistema cuántico puro y un sistema clásico, Gómez Cadenas utiliza el ejemplo de una escopeta de perdigones disparada contra una plancha metálica en la que hay dos agujeros, de forma que los perdigones que los cruzan lo hacen, o bien por uno, o bien por otro. Si se tratase de una onda lanzada contra una plancha con dos rendijas, veríamos un patrón de difracción detrás de la plancha que indica que la onda ha pasado a través de ambas. "Pues bien, cuando realizamos el experimento de la rendija con electrones, observamos también un patrón de difracción, lo que nos indica que los electrones se están comportando en este caso como ondas. ¡Es decir, siguiendo las leyes, un poco sorprendentes, de la mecánica cuántica, según las cuales un electrón puede pasar por ambas rendijas a la vez!".

Da gusto hablar con Gómez Cadenas sobre estos temas. No solo porque sabe más que mi padre y mi abuelo, lo cual juega a su favor, sino por el entusiasmo que demuestra y su claridad didáctica. Le pregunto, para terminar, por las aplicaciones prácticas del líquido de espín cuántico: "Hay dos aplicaciones clásicas del líquido de espín cuántico. Superconductividad a alta temperatura, lo que sería una bomba, porque hoy en día tienes que tener los imanes superconductores a 4 grados Kelvin o -269º Celsius, y computación cuántica. ¡Ahí es nada!".

En efecto, da vértigo pensar en todo el camino recorrido hasta aquí, desde Demócrito hasta Higgs, pasando por Newton o Heisenberg, pero sobre todo, da vértigo imaginar todo lo que queda por recorrer.