Del modelo planetario a la nube de probabilidad: cómo es realmente la materia según la física cuántica y lo que el CERN observa en sus detectores.
Si el núcleo fuera un balón de fútbol en el centro de un estadio, el electrón más cercano sería una mota de polvo a 2–3 km de distancia. Entre ambos no hay nada: ni aire, ni sustancia, ni estructura. La materia sólida que tocas es, en un 99,9999999 %, espacio vacío.
¿Y por qué no atravesamos las cosas? Porque los electrones generan campos electromagnéticos que se repelen. La “solidez” es una ilusión de fuerzas, no de materia compacta.
El modelo de Bohr —electrones girando como planetas— está superado desde hace un siglo. La ecuación de Schrödinger describe el electrón como una función de onda ψ: no sabemos dónde está, solo dónde es probable encontrarlo.
Abajo tienes orbitales reales del átomo de hidrógeno, calculados con |ψ|². Cada punto es una medición posible del electrón: donde la nube es densa, la probabilidad es alta. Elige un orbital y observa cómo la nube se materializa punto a punto — igual que los impactos que registra un detector del CERN.
Protones y neutrones no son elementales. Cada protón son dos quarks up y uno down (uud); cada neutrón, udd. Los quarks llevan carga de color y la fuerza nuclear fuerte los confina: cuanto más se separan, más fuerte tira de ellos — nadie ha visto jamás un quark libre.
En la simulación, los gluones (los puntos que viajan entre quarks) intercambian color sin parar. Es una caricatura de lo que el LHC reconstruye: al chocar protones a 13 TeV, los quarks se desgajan en chorros de partículas que los detectores ATLAS y CMS registran.
Carga +1. Masa 938,3 MeV/c². Estable: vive más que el universo. Cada núcleo de hidrógeno es un protón desnudo.
Sin carga. Masa 939,6 MeV/c². Libre, decae en ~15 min por la fuerza débil (desintegración β).
Bosón de la fuerza fuerte. Sin masa, 8 tipos. La mayor parte de tu masa no es de los quarks: es energía de confinamiento (E=mc²).
Protones al 99,9999991 % de c, chocando 40 millones de veces por segundo en un anillo de 27 km.
Todo lo que existe está hecho de 17 partículas fundamentales: 6 quarks, 6 leptones, los bosones que transportan las fuerzas y el Higgs, que da masa. Tú solo usas tres: up, down y electrón. El resto se produjo en el Big Bang y hoy solo aparece en rayos cósmicos y aceleradores.
Protón y neutrón, en quarks:
Las tres generaciones (columnas) son copias cada vez más pesadas e inestables. El top, descubierto en 1995, es tan pesado como un átomo de oro.
Los neutrinos son fantasmales: unos 65 000 millones cruzan cada cm² de tu cuerpo por segundo, desde el Sol, sin interactuar.
El bosón de Higgs (CERN, 4 jul 2012) confirmó el campo que da masa a las partículas. Premio Nobel 2013.
Lo que el modelo no explica: gravedad, materia oscura, energía oscura, ni por qué hay más materia que antimateria.
Cada interacción del universo —del brillo de una estrella al tacto de esta pantalla— es una de estas cuatro. Las barras están en escala logarítmica: la gravedad es 10³⁸ veces más débil que la fuerza fuerte.
Los 17 ladrillos del Modelo Estándar componen la materia ordinaria: estrellas, planetas, personas. El 95 % restante del universo es materia oscura y energía oscura — sabemos que existen por sus efectos gravitatorios, pero nadie sabe qué son.
Si eliminaras el vacío de todos los átomos de la humanidad, 8 000 millones de personas cabrían en un cubo de azúcar.
E = mc² — 1 g de materia convertida en energía pura equivale a ~21 kilotones de TNT.
El LHC acelera protones al 99,9999991 % de la velocidad de la luz: ganan ~7 000 veces su masa en energía.
Tu masa no está en los quarks: el ~95 % es energía de gluones confinada en el núcleo. Eres energía atrapada.
Cada segundo, ~4·10³⁸ protones se fusionan en el Sol convirtiendo 4 millones de toneladas de masa en luz.
Un neutrino puede atravesar un año luz de plomo con un 50 % de probabilidad de no chocar con nada.
Un núcleo inestable se desintegra y emite partículas o fotones con energía suficiente para arrancar electrones de la materia que atraviesan. Eso es la radiación ionizante: el punto donde la física de partículas se convierte en un problema de seguridad y control del riesgo.
La protección se basa en tres palancas medibles: tiempo de exposición, distancia a la fuente —la dosis cae con el cuadrado de la distancia— y blindaje adecuado al tipo de emisión. No existe un blindaje universal: cada partícula se detiene con un material distinto.
La dosis es proporcional al tiempo de permanencia: planificar la intervención fuera de la zona reduce más que cualquier equipo.
Duplicar la distancia divide la dosis por cuatro — D ∝ 1/r². Es la medida más barata y más eficaz.
Cada material tiene su capa hemirreductora: ~1 cm de plomo o ~6 cm de hormigón bastan para reducir a la mitad un haz gamma típico.