¡Hablemos de termodinámica!
Pensando en nuestra infancia, especialmente la época como estudiantes en la primaria, recordaremos que ahí aprendimos que el agua tiene tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Posteriormente quizá escuchamos en algún momento, que existen otros tipos de estados de la materia como el plasma, un fluido que puede tener propiedades de gas y líquido al mismo tiempo, sin presentar distinción entre ellos. Asimismo, en nuestras clases de química aprendimos que el agua no es un elemento, sino un compuesto formado, ahora sí, por los elementos hidrógeno y oxígeno, por lo que dos átomos o elementos de hidrógeno se combinan con uno de oxígeno para formar el agua.
El hidrógeno es el átomo más sencillo que existe. En cuanto a su constitución, está formado por un solo protón en su núcleo y un electrón en órbita, de hecho, es el elemento más antiguo y abundante en el Universo. Por su parte, el oxígeno es el segundo elemento más abundante de la Tierra, importante para la vida y también muy estudiado. Ambos, forman parte de la llamada química orgánica y forman el compuesto más importante para la vida.
El agua ha sido objeto de estudio por la ciencia llamada termodinámica, que trata principalmente sobre los procesos de transferencia de calor, mediciones de temperaturas, cambios de estados e intercambio de energía. La termodinámica utiliza como unidades de medición cantidades como presión, volumen, temperatura, energía, entropía, entalpía y otras cantidades físicas. Sabemos, por ejemplo, que el agua hierve a 100 grados Celsius (°C), se congela a 0 °C y pasa de estado sólido a líquido, o de líquido a gas y viceversa, inclusive puede pasar de sólido a gas en algunos casos especiales (sublimación).
«Estos cambios de estado, conocidos también como cambios de fase, se producen al variar la temperatura del agua, pero como veremos, no es la única manera»
Gracias a lo aprendido en la escuela o en la vida cotidiana, sabemos también que el agua no siempre hierve a 100 °C. Si estamos en la CDMX, que está a más de 2 mil metros sobre el nivel medio del mar, el agua hierve aproximadamente a 96 °C. ¿Por qué? Debido a que, a esa altura, la presión atmosférica es menor que si estuviésemos en el mar. Por tanto, si hierve o se congela el agua, depende también de la presión. En consecuencia, el cambio de fase del mismo volumen de agua ocurrirá dependiendo de la temperatura y la presión presente.
Para representar los resultados de cambio de fase del agua, por ejemplo, de estado líquido a estado sólido y viceversa, es más sencillo verlo en alguna gráfica. Podemos utilizar un plano cartesiano donde ponemos en el eje horizontal (x) la temperatura y en el eje vertical (y) la presión (ver figura 1). Notamos que, si aumentamos la presión, requerimos mayor temperatura para cambiar la fase del agua. Asimismo, si aumentamos la temperatura requerimos mayor presión. Existe entonces una especie de frontera donde coexisten dos estados y que está constituida de pares de puntos (x, y), la frontera divide los dos estados.
Figura 1. Diagrama de fases del agua. Imagen traducida y tomada de la original del video https://youtu.be/-B3sQW31sL0
El punto crítico
Investigando estas cosas, es normal que surjan sorpresas. Una de ellas es que se pensaba que esa frontera estaría presente; sin embargo, se vio que, a un cierto valor de presión y temperatura ¡desaparecía! Llegaba a un punto donde ya no había un evidente cambio abrupto de estado. Si la frontera no existía, entonces no había un salto de un estado a otro, sino simplemente una mezcla indistinguible de ambas. El final de la línea de frontera se le denominó punto crítico.
Otra sorpresa fue el descubrimiento de un punto especial llamado punto triple. Este punto surgía de ciertos valores particulares de presión y temperatura donde podían «convivir» los tres estados del agua al mismo tiempo. Con este entusiasmo de hacer investigación se analizaron otros compuestos, otros valores, variaciones de volúmenes y de mezclas químicas; es así como en el siglo XVIII se avanzó en muchas disciplinas científicas y la termodinámica no se quedó atrás. Recordemos simplemente la máquina de vapor, clave para la Revolución Industrial.
La fuerza existente que une a los constituyentes del núcleo
Si damos un salto de siglos y nos colocamos en la actualidad, podemos ver que, en ciertas investigaciones de la materia, como lo es la física de partículas elementales o de altas energías, se realizan actividades similares para comprender mucho más de qué está hecho nuestro universo. Actualmente tenemos una idea bastante precisa en cuestiones del origen, evolución, constitución y formación de todo lo que nos rodea, lo cual ha sido posible por la antigua búsqueda de los elementos indivisibles de la materia. En la época de los griegos a esto se le llamó átomo (que significa ‘sin división’), pero ahora sabemos que los que fueron denominados átomos o elementos químicos, están constituidos por otros entes aún más pequeños como los protones, electrones y neutrones (ver figura 2). El núcleo del átomo, formado por protones y neutrones (a excepción del hidrógeno como ya vimos), a su vez está compuesto por otras partículas llamadas cuarks. Los electrones hasta donde se sabe, sí son elementales e indivisibles. Y así como se preguntaron los científicos del pasado qué mantenía unidos a los átomos, se preguntaron también qué mantenía unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.
Figura 2. La estructura atómica: electrones (blanco), neutrones (azul) y protones (rojo). Imagen tomada
del video https://youtu.be/-B3sQW31sL0
Cuando se descubrió que el núcleo de los átomos estaba hecho de protones, cargados positivamente, y neutrones, sin carga, surgió una duda muy difícil de responder: si la única carga en el núcleo es positiva, por todos los protones presentes, y están tan cerca uno de otro, ya que las distancias entre ellos son del orden de miles de millones de millones de veces más pequeñas que un metro, y sabiendo que cargas iguales se repelen, entonces, ¿el núcleo sería el objeto más inestable del universo? Y es que con estas características, los protones se separarían a velocidades gigantescas en un instante y el núcleo solo se formaría por un momento. Por tanto, un núcleo estable se explica por la presencia de una fuerza desconocida, no gravitatoria y no electromagnética que debía unir a los constituyentes del núcleo.
Esta fuerza fue llamada, usando mucha imaginación, fuerza Fuerte, que fue objeto de mucha investigación a inicios del siglo XX, descubriendo que esta no solo era responsable de la unión de protones y neutrones en el núcleo, sino también de que los constituyentes de los mismos protones y neutrones estuvieran unidos para mantener estable la materia. Esta fuerza, aún en nuestros días, sigue siendo muy estudiada por lo que ya se entiende más de esta, e inclusive, se han hecho avances en la ciencia por tener una teoría que la explique; sin embargo, aún falta mucho por explorar para proponer una teoría completa.
Actualmente, esta teoría se conoce como Cromodinámica Cuántica y es la que denominamos como física de frontera en esta obra. Todos estos avances también requirieron agrupar a las partículas respecto a las que interaccionan fuertemente y las que no, estos son hadrones y leptones. Los hadrones son partículas formadas por cuarks rodeados por una nube de gluones y se dividen en dos: los mesones que se conforman tanto de un cuark como de un anticuark y los bariones que están formados por tres cuarks, como el protón y el neutrón. Por otro lado, los leptones son la contraparte ligera y sutil de los núcleos, llamados electrón, muon, tau y neutrinos (neutroncito en italiano).
Y ahora, la física de frontera
La Cromodinámica Cuántica (QCD, Quantum Cromodynamics) explica exitosamente la manera en que los núcleos y sus constituyentes más elementales se forman, interaccionan entre ellos y se transforman. Su nombre deriva de tener en sus bases la teoría llamada Mecánica Cuántica, que a inicios del siglo XX explicó con mucho éxito la física del átomo. El nombre cromo viene de la raíz griega que significa ‘color’, pues al tipo de carga, distinta de la eléctrica, se le llamó carga de color, conocidos como gluones, de glue, pegamento que une a los cuarks (ver figura 3), aunque no tiene nada que ver con los colores del espectro electromagnético de la luz. El desarrollo de esta teoría se debió a los grandes experimentos llamados de altas energías que existen en el mundo, los cuales se realizan en laboratorios específicos (el JINR es uno de ellos, más adelante hablaremos de él), muy grandes, donde existen los aceleradores de partículas, cuya función es realizar choques entre haces de partículas a energías cada vez más grandes.
Figura 3. Los constituyentes del núcleo atómico con detalle de cuarks y gluones en uno de sus protones.
Imagen tomada y modificada del video https://youtu.be/-B3sQW31sL0
Una manera de avanzar en el conocimiento de la QCD, es a través del estudio de la fuerza fuerte en un diagrama de fase, como en el caso del agua. Entender y completar el «diagrama de fase de la QCD», significa estudiar cuáles son las propiedades de la interacción fuerte en la situación en que la materia nuclear se encuentra sujeta a condiciones de altas temperaturas y densidades. La manera termodinámica de estudiar la QCD, es encontrar cómo es este diagrama de fase con dos variables principales; si en el agua era la presión y la temperatura, en la QCD será el potencial químico (µB) y de nuevo la temperatura (T) (ver figura 4). El potencial químico es una variable que está relacionada con la densidad de materia, llamada bariónica, que existe en el universo o que puede producirse en los laboratorios con aceleradores.
Figura 4. Diagrama de fase de la QCD. Imagen traducida y tomada de la original del video https://youtu.be/-B3sQW31sL0
Si vemos el diagrama de fase de la QCD, los choques de los haces de partículas de los aceleradores pueden abarcar grandes temperaturas, pero bajas densidades. Por otra parte, en los núcleos de las llamadas estrellas de neutrones aparecen densidades colosales, pero baja temperatura. Para el estudio completo del diagrama de fase, se debe variar tanto la temperatura como la densidad de manera controlada. Esto se logra variando la energía del choque de los haces y, asimismo, variando las especies de núcleos en esos haces. Gracias a los fotones (partículas de luz) producidos en la colisión es posible determinar la temperatura, mientras que los leptones (provenientes de los mesones), que también se generan en la colisión, proporcionan información de la naturaleza de la estructura de la fase. Con ello se busca la frontera que divide el estado de la materia que está aún unida por sus constituyentes (fase confinada) contra la que está libre de los constituyentes elementales de ella (fase desconfinada) conocida como «Plasma de cuarks y gluones» o QGP (Quark-Gluon Plasma). Encontrando esta frontera, se podrá asimismo verificar y localizar la existencia del llamado punto crítico.
Laboratorio JINR en Dubna, Rusia
Uno de los intereses más importantes para el estudio de la QCD es investigar las propiedades de este diagrama, determinar si existe una línea de frontera entre estos estados confinado y desconfinado, si existe un corte en la frontera, es decir, un punto crítico y dónde se encuentra. Conocer esto ayudará sin duda a entender mejor esta teoría y las propiedades primarias de la fuerza fuerte.
En particular, en la ciudad rusa de Dubna se encuentra el laboratorio Joint Institute for Nuclear Research (JINR por sus siglas en inglés), uno de los que existen en el mundo cuyo interés es el estudio de la QCD y en el que se tiene un complejo de aceleradores, sistemas de detección, talleres mecánicos, departamentos de electrónica, física, computación, diseño, entre otros, para la investigación de la física nuclear. Desde su realización en los años 50s del siglo pasado, este laboratorio se ha dedicado a la creación y estudio de los elementos más pesados de la tabla periódica, lo cual lo ha llevado a ser un centro reconocido mundialmente en la investigación de núcleo atómico y de las fuerzas que intervienen en él. Actualmente en el JINR se está construyendo un nuevo acelerador llamado Nuclotron-based Ion Collider fAcility (NICA), con el objetivo de crear los choques de haces de núcleos atómicos a energías apropiadas para estudiar el diagrama de fase de la QCD (ver figura 5).
Figura 5. Complejo NICA. Imagen traducida y tomada de la original en http://nica.jinr.ru/complex.php
En el mundo existen otros experimentos interesados en estudiar el desconfinamiento. Entre ellos está el Relativistic Heavy Ion Collisions (RHIC) y el Large Hadron Collider (LHC), que trabajan con haces de protones a energías mayores y densidades menores a las exploradas por NICA, donde se explorará esta región porque resultados experimentales reportados por el experimento Super Proton Synchrotron (SPS), sugieren que la fase desconfinada de la materia nuclear puede ser creada ahí. Corroborar un resultado experimental es la base del conocimiento científico, por ello, en sus primeras etapas, NICA realizará pruebas de consistencia con los resultados reportados por estos otros experimentos.
Grupo mexicano en NICA
Es evidente que un experimento como NICA necesita la colaboración y el aporte de muchos grupos científicos, como así ha acontecido con otros experimentos en el mundo. En este sentido, un grupo mexicano integrado por un equipo de investigadores en física teórica y experimental tiene una participación que abarcará tanto el estudio, análisis y comprobación de modelos teóricos que expliquen algunos fenómenos de la QCD, así como la propuesta, diseño, pruebas y construcción de un sistema de detección que formará parte de uno de los dos principales experimentos de NICA: el Multi-Purpose Detector (MPD). El otro experimento es el Spin Physics Detector (SPD) dedicados al estudio de otra propiedad de los cuarks que aún requiere mucha investigación: el espín.
La estrategia de nuestro grupo es investigar las técnicas de la QCD en el sector donde la densidad bariónica está presente, utilizando teorías llamadas efectivas que describan las propiedades de la QCD. Además, la aportación experimental será no solo en incluir el sistema de detección en el experimento, sino también en la etapa de toma de datos, para realizar el análisis y procesamiento de los mismos y de ellos extraer la información experimental que ayude a completar con más precisión el diagrama de fase de la QCD.
Briceño R. (2018, 8 de marzo). El mundo exótico de quarks y gluones [Video]. YouTube. https://youtu.be/3_ErB0MgTnU
Courtoy A. (2017, 11 de septiembre). La estructura del protón [Video]. YouTube. https://youtu.be/MY18s0rgJGQ
iCPAN 2010. (2013). Colisiones protón contra núcleo en el LHC: Una pelota de ‘ping-pong’ contra un balón de fútbol.
https://www.i-cpan.es/es/content/colisiones-prot%C3%B3n-contra-n%C3%BAcleo-en-el-lhc-una-pelota-de-ping-pong-contra-un-bal%C3%B3n-de-f%C3%BAtbol
iCPAN 2010. (2014). Determinan con precisión una propiedad de la materia tras el Big Bang.
https://www.i-cpan.es/es/content/determinan-con-precisi%C3%B3n-una-propiedad-de-la-materia-tras-el-big-bang
Marco Alberto Ayala Torres, Maestro en Ciencias en la Especialidad de Física y estudiante de doctorado en el Departamento de Física del CINVESTAV.
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Luis Manuel Montaño Zetina, Doctor en Ciencias en la especialidad de Física y miembro de la planta académica del Departamento de Física del CINVESTAV. Participa en la colaboración mexicana en el proyecto ALICE del LHC en el CERN.
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