El color del cielo y el fenómeno de la Luna Azul

¿Qué es la luz? A lo largo de la historia de la Humanidad, ha habido diferentes teorías que intentaban responder a esta pregunta, como la de Platón: la luz sale de los ojos, o la del éter, una sustancia con una densidad extremadamente baja que permitía la propagación de la luz.

Éter: la sustancia que se creía que impregnaba el espacio y que permitía la propagación de la luz y que, además, afectaba a la velocidad de traslación del planeta

En el siglo XX se descartó  la teoría del éter, pero los problemas sobre la naturaleza de la luz seguían. ¿Era la luz una onda o era una partícula? El físico Huygens decía que era una onda. Newton, que era una partícula… Ahora te pregunto: ¿qué es la luz?

1. Si has respondido que es una onda, tu respuesta es correcta… al 50%

2. Si has respondido que es una partícula, tu respuesta también es correcta. Este es el otro 50%

La respuesta correcta es: ambas. A este fenómeno se le llama dualidad onda-partícula u onda-corpúsculo. Suena extraño, pero es así. Si diseñas  un experimento para medir las propiedades de onda de la luz, los obtendrás (como los patrones de interferencia o el fenómeno de dispersión en un prisma). Sin embargo, si diseñas un experimento para medir las propiedades de partículas, partículas será lo que obtendrás.

En cualquier caso, resumamos qué es la luz así: la luz es una radiación electromagnética. 

La luz es una onda electromagnética: una onda en la que se propaga un campo magnético y un campo eléctrico

Hay muchos otros tipos de radiaciones electromagnéticas, como los energéticos rayos cósmicos o las ondas de radio. Toda esta familia de radiaciones vive en el mismo hogar: se encuentra reunida en el espectro electromagnético.

La luz es una pequeña fracción de este espectro, y representa la radiación que podemos captar con nuestra visión. Aquí están incluidos todos los colores. He aquí algo importante: la luz, la luz blanca en concreto, es en realidad la suma de todos los colores. Esto se ve fácilmente con un simple experimento que se suele hacer en el colegio: divide una ruleta en los diferentes colores del arcoíris. Cuando la gires, verás que da lugar a la luz blanca:

Hay otros experimentos que hacen lo contrario: separar la luz blanca en los colores del arcoíris, como sucede en un prisma. A este fenómeno se llama dispersión, y se produce porque, cuando la luz entra en un material, debido a las diferentes longitudes de onda de los colores, unos tienen una velocidad mayor que el de otros. El color rojo es el que tiene mayor longitud de onda y, por lo tanto, el que atraviesa el prisma a mayor velocidad. Como va tan rápido, apenas es curvado. Es decir, el color rojo es el que menos se desvía. El violeta es el que va más lento dentro del vidrio. Es, por lo tanto, el que más se desvía.

Prisma óptico

¿Y cómo es posible el color de los objetos? ¿Cómo puede ser de color rojo, azul o amarillo, la camiseta que llevo? Un objeto es de un color determinado cuando absorbe todos los colores menos ese, al cual refleja.

Las moléculas de clorofila de las hojas absorben todos los colores (los picos de la gráfica) menos los verdes y amarillos, que son los que reflejan. Por eso las hojas se ven así

Cuando tenemos, por ejemplo, una camiseta roja, lo que en realidad ocurre es que ésta absorbe todos los colores menos el rojo. El rojo lo refleja, y por eso lo vemos así.

El tomate, de color rojo, sólo refleja este color

Una camiseta blanca, por ejemplo, es aquella que en realidad refleja todos los colores, y una negra es aquella que los absorbe todos. En realidad no existe un cuerpo 100% negro; es decir, uno que absorba el 100% de la radiación que le llega. El material más negro que conocemos se llama “vantablack” y absorbe el 99,965% de la radiación.

Material negro (izquierda) comparado con el Vantablack (derecha)

La luz que nos viene del Sol en realidad es una luz blanca; es decir, contiene todos los colores. 

La luz del Sol es blanca

Entonces, ¿cómo es posible que veamos el cielo, por ejemplo, azul? La atmósfera de la Tierra está formada por un 78% N₂ (nitrógeno), un 21% O₂ (oxígeno) y un 1% de otros gases (dióxido de carbono, argón, vapor de agua…). 

Gráfica de la composición de la atmósfera

Estas partículas son más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, entra en juego la Dispersión Rayleigh. Esta ley nos dice que la dispersión de la luz es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda; es decir, que cuanto mayor sea la longitud de onda del color, menos se dispersa (y viceversa). El violeta y el azul son los dos colores con la longitud de onda más corta y son, por lo tanto, los que más se dispersan

La dispersión es mayor cuanto menor es la longitud de onda (a medida que la gráfica va hacia la izquierda)

Matemáticamente:

$$I α \frac{1}{λ^4}$$

¿Qué significa esto exactamente? Que los colores como el amarillo del Sol nos llegan prácticamente de forma directa, no se pierden por la atmósfera. Sin embargo, el color azul y el violenta, en su camino desde el Sol hasta nuestros ojos, van chocando continuamente con todas las partículas de la atmósfera. 

Mientras los demás colores atraviesan la atmósfera casi sin desviarse, en línea recta, el color azul se dispersa

El color azul no nos llega directamente, sino que ha recorrido la atmósfera en zigzag, por lo que se ha expandido por todo el cielo. Por ello lo vemos de este color (el violeta se dispersa más, pero nuestro ojo es mucho más sensible al azul que al violeta, por lo que a éste último apenas lo percibimos).

A esto se debe que si nos fijamos en el cielo cercano al Sol, es de un azul más clarito que en otra zona más lejana (pues en las zonas cercanas se encuentran también los otros colores, cuya suma es blanco). En el horizonte también se ve más claro, pero se debe a la luz que refleja la tierra.

El color azul es más oscuro a medida que nos alejamos del Sol

Si las partículas de la atmósfera son bastante más grandes que la longitud de onda, la luz al llegar a ellas no se dispersa, todos los colores se comportan de la misma manera. La luz es, por lo tanto, blanca. Esto es lo que ocurre con las nubes, formadas por grandes aglomeraciones de gotas de vapor de agua. Es decir, el color blanco que nos llega al mirar a las nubes es en realidad el color azul, el rojo, el verde, etc., que nos llegan simultáneamente.

Cuanta mayor sea esta aglomeración de gotitas (mayor densidad), menos luz podrá atravesarla y, por lo tanto, más oscura será la nube. Las nubes de tormentas, hasta los topes de gotas de agua, se ven de color negruzco por esta razón. Sin embargo, vistas desde arriba (desde la Estación Espacial Internacional, o desde un avión, por ejemplo), siguen siendo blancas.

Tifón Neuguri, en su camino hacia Japón, visto desde la ISS

Al atardecer, por el contrario, la luz del Sol debe atravesar más atmósfera. Esto es un peligro añadido para el color del cielo, puesto que ya no sólo hay que tener en cuenta las partículas de nitrógeno y oxígeno, sino otras como polvo debido a contaminación, por ejemplo, que son del mismo tamaño que la longitud de onda. En este caso, todos los colores se dispersan, como ocurre en un prisma. Sin embargo, unos se dispersan más que otros. 

El color violeta y el azul son los que tienen la longitud de onda más corta y por ello se dispersan mucho. Se dispersan tanto, que estos colores se pierden. El color rojo y el amarillo son los que tienen mayor longitud de onda y son, por lo tanto, los que menos se dispersan. Por ello, vemos los atardeceres impregnados de estos colores. Y cuanta mayor contaminación haya, podremos disfrutar de atardeceres más bonitos.

El observador 2 está presenciando un atardecer 

Hay otro fenómeno interesante, el de la Luna azul, que se da aproximadamente cada tres años. El siguiente: mañana mismo, viernes 31 de julio, y no se volverá a ver hasta el 2018. Hace referencia a la segunda luna llena en un mismo mes. 
Sin embargo, también puede tener un significado literal: una luna de color azul. Éste es un fenómeno raro, pues en la atmósfera ha de haber partículas del mismo tamaña concreto, y sucede, por ejemplo, cuando ha ocurrido una erupción volcánica o un importante incendio. En este caso, son los colores rojo y amarillo los que se dispersan y es el azul el que más directamente nos llega (lo contrario que ocurre con la Dispersión Rayleigh durante el día). Por ello,  la Luna se ve de color azul. 

New Horizons sobrevive y nos manda sus primeras imágenes

Y, tras todo el escándalo... silencio absoluto.

Sonrisas nerviosas, miradas dirigiéndose continuamente a los monitores de pantalla, paseos continuos... El equipo de la NASA aún no sabía si la New Horizons había sobrevivido. Con el fin de que recaudara la mayor cantidad posible de datos científicos, se habían interrumpido durante 22 horas las comunicaciones con la sonda. Sonda que, por cierto, se movía a unos 50.000 km/h; a esa velocidad hasta una partícula de polvo podía dañar irreversiblemente la nave. Los científicos pensaban que la probabilidad de colisión era muy baja, 1 entre 10.000, pero el riesgo existía y, además, la nave se movía a lo desconocido...

Las horas iban pasando hasta que, por fin, a las tres de la madrugada del miércoles (hora española), llegó el aviso de la New Horizons: había sobrevivido al flyby, había tomado datos y ahora iba hacia el cinturón de Kuiper, a estudiar alguno de esos cuerpos helados que como murallas defienden al sistema solar del espacio interestelar. 

El equipo celebrando la llegada de la señal de la New Horizons

Ahora sí que se armó una buena fiesta en la NASA.  "Tuve un buen día ayer" - dijo Alan Stern, investigador principal de la misión - "la sonda está ya a más de un millón de millas de distancia de Plutón, está bien y se comunica correctamente", afirmó. [Puedes ver el momentazo en este vídeo, especialmente a partir del minuto 1.]

Y las emociones fuertes estaban prometidas: ya por la noche (de nuevo, hora española), llegaron las primeras y sorprendentes imágenes de Plutón:

Esta imagen representa aproximadamente el 1% de la superficie de Plutón

Esta imagen mostraba unas montañas de agua helada de hasta 3.500 m de altura formadas, muy posiblemente, hace algo menos de 100 millones de años. Tampoco se apreciaban cráteres en la superficie, lo que significaba que debía haber actividad geológica (de igual manera, algunos cráteres en la Tierra apenas son perceptibles debido, por ejemplo, al viento, que arrastra arena y otros materiales que se van depositando en el mismo y rellenándolo) [si quieres aprender más sobre esto, te recomendamos una graciosa página de la NASA aquí]. 

El Lago Manicouagan, en Canadá, es todo lo que queda de un cráter por culpa de la erosión terrestre

"Esta es una de las superficies más jóvenes que hemos visto en el sistema solar" - subraya Jeff Moore, del equipo de Imágenes Geológicas y Geofísicas en el Centro de Investigación Ames de la NASA, California. El que Plutón siga geológicamente activo es realmente sorprendente, porque Plutón se formó hace unos 4.560 millones de años y ya debería haberse enfriado y estabilizado. Los científicos aseguran que Plutón no se puede calentar por interacciones gravitatorias con un cuerpo planetario mucho mayor, como ocurre con Ío, satélite de Júpiter, el cual tiene una intensa actividad de vulcanismo debida a las mareas que produce la interacción gravitatoria con Júpiter y otros satélites de gran tamaño, o como ocurre con Tritón, satélite de Neptuno. 

Ilustración de cómo sería estar en la superficie de la luna de Júpiter, Ío, con un importante vulcanismo

"Esto puede llevarnos a repensar qué es lo que activa la actividad geológica en muchos otros mundos helados" - comenta John Spencer, miembro también del equipo GGI, junto con Jeff Moore. 

Basándose en los datos que los científicos poseían sobre la densidad de Plutón, se veía posible la existencia de materiales radioactivos en su interior, pero se pensaba que serían insuficientes para calentar la superficie. Ahora la principal hipótesis es la de que es precisamente a esos elementos radioactivos a los que se les debe la actividad geológica de Plutón. 

A la famosa "zona del corazón" apreciada durante el acercamiento de la sonda, se le ha llamado "Región Tombaugh", en honor al astrónomo que, recordemos, descubrió Plutón en el año 1930 y cuyas cenizas viajan a bordo de la New Horizons.

Fotografía donde se muestra en primer plano al "corazón de Plutón"

Y las sorpresas no han parado aquí. La sonda también ha enviado una imagen de Caronte, la mayor luna de Plutón:

Una franja de acantilados y depresiones se extiende unos 1.000 km desde la izquierda a la derecha, una fractura extendida por la corteza de Caronte, posiblemente como resultado de procesos internos. Arriba a la derecha, a lo largo del borde curvo de la luna, hay un cañón que se estima que es entre 7 y 9 km de profundidad.

Los científicos de la misión están sorprendidos por la aparente ausencia de cráteres en Caronte. Al sur del ecuador de la luna, al fondo de esta imagen, el terreo está iluminado por los rayos del sol, creando sombras que hacen más fácil distinguir la topografía. Incluso aquí, sin embargo, se ven muy pocos cráteres, lo que indica una superficie relativamente joven que ha sido remodelada por la actividad geológica.

En la región del polo norte de Caronte, una prominente marca oscura en las imágenes del acercamiento de la New Horizons ahora parece mostrar una frontera difusa, lo que sugiere la presencia de un delgado depósito o mancha de sedimentos en su superficie. A esta zona los científicos han comenzado a llamarla "Mordor" [puedes curiosear más sobre los nombres de regiones, planetas y satélites en este enlace de El País].

También nos ha enviado la imagen de otro de sus satélites, Hydra, que tiene entre 33 y 43 kilómetros de diámetro y una forma irregular. Además, es muy posible que esté cubierta de hielo. La propia NASA asegura que imágenes con mucha más resolución están por llegar. Recordemos que los datos de máxima resolución no se terminarán de recibir hasta finales del año 2016.

Hydra, satélite de Plutón

En cualquier caso, hemos avanzado mucho en nuestra comprensión sobre Plutón y sus lunas en los últimos diez años, y no hay duda de que aún nos esperan muchos más descubrimientos. Sólo hay que comparar la calidad de las imágenes que teníamos antes:

O podemos verlo con la versión en GIF de la NASA:

Tal y como se ve en este magnífico vídeo de The New York Times (el único problema es que está en inglés), hay un mensaje muy claro: es el fin de una era, una era de exploración y que, como la propia NASA dice, "ha inspirado a una generación". Desde que comenzó la carrera espacial entre EEUU y la URSS en la década de los cincuenta, los seres humanos nos hemos lanzado al espacio, hemos comenzado a explorar nuestro Sistema Solar. Hemos enviado satélites, sondas e incluso robots a los planetas. El único que faltaba por ver era Plutón. El siguiente planeta más cercano está a más de 300 billones de kilómetros, algo que con nuestra tecnología actual no lograremos alcanzar. Plutón ha sido (y aún está siendo) el último planeta que exploraremos "por primera" vez en muchas generaciones, y la última vez que lo vivimos con uno de nuestros planetas hermanos, los del sistema solar. 

Por lo tanto, sal esta noche al cielo, mira a las estrellas, porque muchos de esos puntos, en especial los más brillantes, son en realidad planetas y, sobre todo, disfruta este momento, déjate maravillar por los resultados que nos van llegando, vívelo con pasión, porque no volverá a ocurrir. Hemos llegado a un punto de inflexión en nuestra exploración espacial. Es el momento de salir de nuestro dormitorio, el sistema solar, y explorar nuestro hogar completo. Es el momento de ir más allá de la orilla cósmica y adentrarnos en el océano.

La Química de una barbacoa

La noche había caído y el grupo se había refugiado en una cueva. A pesar de ser ya muy tarde y haber tenido un día muy ajetreado, el miedo y la tensión se podían ver en sus ojos, incluso en los de los más pequeños. Agua, como la que se encontraba deslizándose por las praderas y como la que salía de esa cosa blanca cuando finalizaba el invierno, caía ahora del cielo. Pero caía con mucha violencia. ¿Había alguien tirándonos lanzas de agua? ¿Alguien pretendía cazarnos? No se podían ver esas luces en el cielo, que eran las sonrisas de nuestros antepasados brillando al reflejar la luz del Sol. Nos acompañaban cuando se iba el Sol, durante la noche. Nos protegían. Pero hoy no estaban, hoy estábamos solos.

Una luz alargada recorrió el cielo y noté cómo los niños se estremecían. Realmente daba miedo. El sonido era lo peor. Siempre había primero luz y luego sonido. No sabíamos por qué, pero siempre era así. Cada vez se oía más fuerte y las luces a veces parecían tocar la tierra a lo lejos. 

Miré a mi alrededor. Con gente me sentía a salvo, por eso iba siempre con ellos. 

Un ruido muy fuerte, un resplandor enorme y los gritos de aquellos que seguían vigilando en la oscuridad hicieron que me levantara de golpe con la lanza en la mano. No sabía lo que veía, era muy raro. En ese momento, nos olvidamos de nuestro miedo, nos olvidamos de las bestias que cazaban de noche y que se alimentaban de nuestra carne, nos olvidamos de las lanzas de agua y salimos para verlo más de cerca.

Un árbol desprendía luz y calor.  Era aire, aire del color de la sangre y de la tierra, aire muy caliente, aire mágico... Si nos acercábamos a él nos hacíamos daño. No podíamos tocarlo. Era un animal salvaje, no nos obedecía. Pero se alimentaba de árbol. Si cogíamos una rama, podíamos manejarlo...

Esta es una historia inventada, claramente, sobre cómo descubrimos el fuego. Pero, ¿por qué no?, puede que en realidad ocurriera algo parecido. Los últimos estudios nos indican que hace 790.000 años los hombres ya lo dominaban. Los homo erectus eran capaces de manejarlo. Quizá a alguien un día se le cayó un trozo de carne - quizá de mamut, pues está demostrado que eran una de sus presas - y, tras una disputa por haber malgastado algo tan valioso, intentaron aprovechar lo que quedara pero, para su sorpresa, se dieron cuenta de que "oye, esto no está tan mal". ¡Quién sabe!

Cocinar la carne hace que se desprenda mejor del hueso, le da más sabor y, además, permite que se absorban más nutrientes, entre otras cosas. Vamos, nuestros antepasados se dieron cuenta de que era mucho mejor utilizar el fuego y cocinarla a comerla cruda.

Carne cruda (arriba) y carne cocida (abajo)

Las proteínas de la carne cruda se han desnaturalizado, han perdido su estructura

Ahora conocemos muchos tipos de carne, muchas formas de cocinarla y multitud de platos que las incluyen; tenemos una importante cultura gastronómica. Pero hay un clásico: la barbacoa. Y por eso dedicamos este post a averiguarlo. ¿A averiguar el qué? Por qué está tan buena. 

El científico Louis-Camille Maillard se dio cuenta de que al cocinar la comida se volvía de otro color, se volvía marrón. "¡Pues menudo genio! - dirás - De eso se percató hasta el homo erectus de tu historia". Cierto, pero yo te hago esta pregunta. "Has visto mil veces este fenómeno. Pero ¿alguna vez te has preguntado por qué es así? ¿Alguna vez te has puesto a investigarlo?". Posiblemente la respuesta es no. O quizá estás leyendo esto porque habías decidido hacerlo. En cualquier caso, el científico se dio cuenta de que algunos alimentos que inicialmente eran ricos en proteínas y azúcares, habían perdido un aminoácido (que recordemos, es el elemento básico de las proteínas). En concreto, el aminoácido perdido era la lisina.

Louis-Camille Maillard (1878 - 1936)

Posteriormente, en 1912, demostró que los pigmentos marrones se forman después de la reacción entre un grupo amino (-NH₂) y un carbonilo (-CO). Es decir, sucede, por ejemplo, entre el aminoácido de una proteína y un azúcar. A esta reacción se le llama "Reacción de Maillard" o "glicosilación no enzimática de las proteínas (glicación)". 

El color tostado de esta carne se debe a la Reacción de Maillard

Es una enorme cascada química en la que continuamente se producen diferentes compuestos, algunos muy volátiles y otros tóxicos. Por ejemplo, un elevado nivel de azúcar en sangre en personas diabéticas puede desencadenar reacciones de Maillard que producen una inflamación y dañan el sistema cardiovascular y el hígado. Además, las cataratas del ojo tienen su base en reacciones de Maillard. Pero esto no significa que debamos volver a comer como nuestros antepasados y dejar de cocinar la carne. ¡Ni mucho menos!

Veámoslo más a fondo. La reacción Maillard da lugar a diferentes productos:

1. Productos Amadori - Color blanquecino / amarillo muy suave

2. AGEs (Advanced Glycosylation End products) - Color anaranjado

3. Melanoidinas - Color marrón 

Los productos intermedios (productos de Amadori) posteriormente suelen oxidarse. Sufren un reordenamiento y dan lugar a los AGEs. Se conocen muchos AGEs, pero aún quedan otros muchos si haber sido estudiados. Una reacción similar es la que ocurre entre los azúcares y las proteínas en muchos alimentos y el resultado final es lo que vemos en el dulce de leche. En este caso, la lactosa y la glucosa de la leche reaccionan con la caseína y la lactalbúmina para dar complejas estructuras, de color amarronado, que son precisamente AGEs. Otro ejemplo de AGEs es la acrilamida (que algunos estudios muestran que aparece en el café), cancerígena en altas dosis.  

Las melanoidinas son los productos últimos de la reacción de Maillard. Una melanoidina es la responsable de la coloración oscura de los vinos de jerez que se han almacenado en barricas de roble mientras maduraban. Se forman en las reacciones finales del horneado, asado o fritura de los alimentos. La principales fuentes son el café y los cereales (el color tostado de las galletas, el del pan)... Un estudio reciente del CSIC indica que estos compuestos pueden tener propiedades antioxidantes [estudio original aquí]

Otros productos que participan en el olor y sabor de nuestra carne son el siringol y el guaiacol.

Siringol

Estos dos compuestos se forman con la pirólisis de la lignina de la madera; o, dicho de otra forma, cuando quemamos el carbón vegetal de la barbacoa, estos compuestos se forman. Son componentes del humo de la madera quemada. El siringol es el responsable del aroma de nuestra carne a ahumado, mientras que al guaiacol es el responsable del sabor, aunque hay muchos otros compuestos que participan en el sabor y el olor.

Lignina

Además de la toxicidad de algunos compuestos producidos en la Reacción de Maillard, hay que tener también en cuenta a los PAHs (Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos), que se encuentran en el carbón de nuestra barbacoa, pero también en el alquitrán o en el petróleo (como curiosidad: estudios indican que también se encuentran en el medio interestelar, en cometas y en meteoritos, y son candidatos a moléculas básicas en el origen de la vida). Se liberan por la combustión incompleta de elementos como la madera, los lípidos o el tabaco.

Ejemplos de PAHs

Veamos ahora un gráfico sobre la química de la barbacoa:

Este gráfico fue originalmente puesto por la famosa página sobre química Compound Interest, y aquí se muestra traducido al español.

Fuentes:

1. Reacción de Maillard 

2. Reacción de Maillard 

3. Reacción de Maillard

4. PAHs 

Descubrimiento del pentaquark

Hagamos primero una breve introducción. Como ya vimos en este post, los átomos que nos forman, a pesar de lo que su nombre nos indica ("átomo" significa "lo que no se puede dividir" en griego), están divididos en protones (carga positiva), electrones (la misma carga que el protón, pero negativa y, además, es unas 1836 veces más pequeño que él) y neutrones (un tamaño similar al protón pero sin carga). 

Los electrones, pertenecientes a la familia de los leptones, como los famosos neutrinos, son indivisibles por lo que conocemos hasta el momento. Sin embargo, los neutrones y los protones sí que se pueden dividir en partículas más pequeñas. A estas partículas se les llama quarks.

Hay seis diferentes tipos de quarks: arriba (up), abajo (down), encanto (charm), extraño (strange), fondo (bottom) y  cima (top, este pesa él solito lo mismo que un átomo de oro entero, y eso que este átomo está formado por 79 protones y 118 neutrones). En cualquier caso, sólo los arriba y los abajo forman los protones y los neutrones. Los protones y los neutrones tienen, cada uno, tres quarks.

Corría el año 1964 (el mismo en el que Peter Higgs publicó su estudio sobre el bosón que lleva su nombre y que, unas décadas más tarde, el 4 de julio de 2012, se descubriría) y un joven investigador de 35 años revolucionó la física de partículas proponiendo la existencia de los bariones (compuestos por 3 quarks) y los mesones (formados por un quark y un antiquark. Por lo tanto, muy inestables), lo cual le valdría el Premio Nobel de Física, que se le concedió en 1969. Ah, los 60, la Edad de Oro de la Física de Partículas...

Murray Gell-Mann

Pero nuestra edad es también interesante para este campo. Tras el descubrimiento del Bosón de Higgs y su parón durante un año, el LHC ha vuelto, y con más fuerza que nunca, como suele decirse. Trabaja ahora a los 13 TeV, todo un récord de energía. De hecho, hace poco más de un mes se anunciaron las primeras colisiones a este nivel de energía. Pero aún hay más sorpresas. La cantidad de datos recogidos por el LHC en su primera tanda, antes del parón, es tal que los científicos aún continúan estudiándolos. Y ha sido ahí (en concreto en los datos del LHCb) donde ha aparecido otro gran descubrimiento: el de los pentaquarks. 

El hallazgo del Bosón de Higgs, nombrado por la revista Science como el Descubrimiento del año 2012

"El pentaquark no es solo una nueva partícula" - dijo el portavoz de LHCb, Guy Wilkinson, - "supone un modo de agrupar los quarks, los constituyentes fundamentales de protones y neutrones, de una forma nunca vista en más de cincuenta años de búsquedas experimentales. Estudiar sus propiedades nos permitirá entender mejor cómo se forma la materia ordinaria, los protones y neutrones que nos componen".

Quarks, componentes de muchas partículas

Todos los científicos coinciden en algo: no es un descubrimiento que suponga el inicio de una "nueva física" (tan a menudo escrita en los medios tras la puesta en marcha del LHC a la máxima potencia). ¡Qué va! El modelo de quarks predecía la existencia de este tipo de partículas, formadas por cuatro quarks y un antiquark. Es más, hace algo más de un año se confirmó la existencia de un sistema de dos bariones (un total de seis quarks) [enlace aquí, página 6]. Y también de un tetraquark: el Z(4430).

Tetraquark Z(4430)
Compuesto por un quark down (abajo), un quark charm (encanto), un antiquark charm y un antiquark up (arriba)

"El modelo de quarks, propuesto hace más de 50 años no excluye la posibilidad de que existan partículas formadas por más de tres quarks, pero estos llamados hadrones exóticos solo empezaron a dar muestras de su existencia hace pocos años" - dice Juan Saborido, responsable del grupo de la Universidad de Santiago de Compostela participante en LHCb . "[Este hallazgo] no implica física más allá del Modelo Estándar, pero es muy importante para el entendimiento de la estructura de los hadrones".

"Este resultado es importante para la validación de modelos de cromodinámica cuántica, puesto que confirma la existencia de estados ligados cuyo contenido en quarks es de cinco. Como si un mesón (2 quarks) y un barión (3 quarks) pudieran formar un estado ligado. Un símil serían las moléculas formadas por distintos átomos" - dice el investigador del grupo del LHCb en la Universidad de Barcelona, Eugeni Graugés.

Pión
Ejemplo de mesón, formado por un quark up y un antiquark down

¿Y cómo se ha conseguido "ver" esta partícula? Observando la desintegración del barión Lambda b en la partícula J-psi, en un protón y en un kaón cargado eléctricamente. Se estudió el espectro de masa del J-psi y del protón y se descubrió que existían estados intermedios en su producción, llamados P_c(4450)⁺y P_c(4380)⁺. El espectro de masas J/ψ p indica la presencia de dos picos: uno a 4380 ± 8 ± 29 MeV con una anchura de 205 ± 18 ± 86 MeV, y un segundo pico más estrecho a 4449,8 ± 1,7 ± 2,5 MeV con anchura 39 ± 5 ± 19 MeV. Ambos picos se interpretan como señal del pentaquark Pc, un estado con espín 3/2 y el otro con espín 5/2. 

Posible representación de un pentaquark. Los quarks pueden estar fuertemente unidos (izquierda) o ser un mesón y un barión débilmente unidos, como una molécula

"Gracias a la gran cantidad de datos proporcionada por el LHC y a la excelente precisión de nuestro detector, hemos examinado todas las posibilidades del origen de estas señales y concluimos que solo se pueden explicar por estados de pentaquark", declaró el físico de LHCb Tomasz Skwarnicki, de la Universidad de Siracusa (EE.UU.). "Para ser precisos, los estados deben estar formados por dos quark up (arriba), un quark down (abajo), un quark charm (encanto) y su antipartícula, un anti-charm".

"Los quarks podrían estar unidos fuertemente" - explica el físico de LHCb Liming Zhang - "o podrían estar unidos más débilmente, en una especie de molécula de mesón-barión en la cual ambos experimentan una fuerza fuerte residual parecida a la que mantiene unidos a protones y neutrones para formar el núcleo".

Large Hadrons Collider (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN en Ginebra, Suiza.

En cualquier caso, el estudio ya se ha enviado a Physical Review Letters y se ha subido en arxiv.org. El estudio cuenta con un gran respaldo: 9 sigma (aunque, si no recuerdo mal, el experimento del BICEP2, tan sonado y luego refutado por no haber tenido lo suficientemente en cuenta al polvo cósmico, era de 5 sigma). Otra cosa curiosa viene cuando nos metemos en este enlace y vemos los autores:

Esto es una muestra de que la ciencia hoy día, especialmente la física de partículas, no es individual, sino colectiva.

Puedes consultar la investigación (en inglés) emitida por el LHCb en este enclace.