Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Programa 2004
Más allá de los átomos
Resumen de la conferencia por:

Enrique Fernández Sánchez
Doctor en Física en la Universidad Complutense de Madrid (1976) y Ph. D. en Purdue University, Indiana, EE.UU. (1979). Catedrático de Física Atómica Molecular y Nuclear en la Universidad Autónoma de Barcelona desde 1987. Ha trabajado en experimentos de física de altas energías en EE. UU. (de 1976 a 1986), en Europa (desde 1985) y en Japón (desde 2002). Ha sido presidente de la comisión ECFA (European Committee for Future Accelerators), de la comisión HENAP (High Energy Neutrino Astrophysics Panel) y miembro de varias comisiones internacionales sobre planificación de la física de altas energías. Desde 1992 es Director del Instituto de Física de Altas Energías dependiente de la Generalidad de Cataluña. Académico Correspondiente de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
 
Todos estamos de acuerdo en que los átomos son sistemas físicos muy pequeños, al menos medidos a la escala que nuestros sentidos son capaces de percibir. Un átomo es unas cien millones de veces más pequeño que la palma de nuestra mano. Aunque pueda parecer sorprendente, con los instrumentos actuales somos capaces de explorar la estructura de la materia hasta una distancia que es a su vez unas cien millones de veces más pequeña que el átomo. A esa escala la estructura de la materia parece ser muy simple. De hecho toda la materia que podríamos llamar ordinaria está formada por electrones y por dos partículas llamadas "quark u" y "quark d". Todos los electrones son idénticos y lo mismo ocurre con todos los quarks u entre sí, y con todos los quarks d entre sí. En algunas circunstancias el quark d se transforma en un u, emitiendo un electrón y un neutrino electrónico. Son los distintos agregados de estos tres constituyentes básicos los que dan lugar a la enorme variedad de formas y propiedades de las sustancias que nos rodean. Electrones, neutrinos y quarks son en este sentido los "átomos" modernos. Esta concepción de la estructura de la materia no es muy distinta a la del filósofo griego Demócrito, aunque, a diferencia de en su caso, la base que la sustenta es experimental, científica en el sentido actual del término.

Además de la materia que hemos llamado ordinaria, hay otras formas de materia que podríamos llamar no-ordinaria, consistente en partículas distintas del electrón, el neutrino y de los quarks u y d. Esta materia no ordinaria ha sido creada en el laboratorio, a partir de la energía, en situaciones donde la densidad de esta última es muy alta. También observamos materia no ordinaria en la radiación que nos llega del cosmos, presumiblemente creada también mediante procesos violentos, en los que la densidad de energía es enorme. Este tipo de materia ha sido estudiada desde los años treinta y con especial detalle desde los años cincuenta. Lo que se encuentra es que toda ella consiste en partículas similares al electrón, neutrino y quarks u y d. Lo sorprendente es que estos nuevos constituyentes parecen ser "réplicas" del electrón, del neutrino y los dos quarks u y d, con propiedades idénticas a aquellos, con la excepción de que son más masivos. Existen dos de estas "réplicas" y por lo tanto tres familias de constituyentes elementales.

Una pregunta inmediata es si en el futuro encontraremos más "réplicas" de las ya identificadas. Pues bien, en experimentos realizados en los años noventa se ha llegado a la conclusión, bajo supuestos bastante generales, de que existen sólo tres familias. Otra pregunta más general es el porqué de la regularidad tan sistemática en las propiedades de cada familia. ¿Existe alguna razón para ello? Nuestra intuición científica nos diría que sí, pero hasta ahora nadie ha sido capaz de encontrarla, y ello a pesar de que algunas de las mentes más claras de los últimos cincuenta años hayan invertido mucho tiempo en el problema. Más sorprendente aún es que, por argumentos y medidas experimentales de tipo cosmológico, tanto la materia ordinaria como la no ordinaria no parece ser más que un cuatro por ciento de la materia total que hay en el cosmos. El resto parece consistir en materia oscura y energía oscura.