La prehistoria de la materia, la era hadrónica

Estoy leyendo el libro titulado "La historia de la materia, del Big Bang al origen de la vida", de León Garzón Ruipérez (Ed. Nobel,1994) que me recomendó un amigo. Me he detenido en la llamada era hadrónica, una especie de era prehistórica de la materia de duración casi "infinitisimal" en que comienzaron a formarse los componentes básicos de la misma. Se inició con una temperatura ligeramente superior al umbral que corresponde a la formación del neutrón, unos 10¹³ K, y se extiendió desde una diezmillonésima hasta una diezmilésima de segundo, contado desde el origen del Universo. El Universo era en ese momento un plasma completamente ionizado y globalmente neutro, con un predominio aplastante de la radiación sobre la materia, siendo de hecho la concentración de los fotones unos mil millones de veces superior a la de cada partícula. Por ello suele decirse que el sistema constaba de radiación y una ligerísima contaminación de partículas. A causa de la gran abundancia de los fotones en relación con las partículas, los choques entre ellos debieron ser mucho más frecuentes que entre las partículas, mientras que éstas no podrían evitar las colisiones con los fotones.


Los hadrones (ver: Gran Colisionador de Hadrones, LHC) se consideran agregados de quarks que se mantienen enlazados mediante la fuerza nuclear fuerte, la más intensa de las cuatro interacciones conocidas. La agrupación de los quarks puede ser por trios o parejas, originando dos subclases: bariones y mesones. Estos últimos se consideran formados por un quark y un antiquarks. Los quarks son : up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo), por lo que las posibilidades de existencia de hadrones son muy numerosas. Solamente considerando los tres primeros, el número de posibles agrupamientos (con repetición) es de diez. Con los u y d, que son los constituyentes de la materia ordinaria, resultan los siguientes agregados: uuu, uud, udd y ddd.

Como las cargas de los quarks son u=2/3, d=-1/3, en unidades de carga del electrón, es fácil comprobar que las cuatro combinaciones anteriores poseen respectivamente las cargas 2, 1, 0. -1. De todos estos hadrones, el segundo y el tercero son precisamente el protón y el neutrón. En cuanto a los mesones, es interesante considerar los piones PI+, PI cero y PI-, cuyas agrupaciones son, respectivamente u anti d, u anti u, d anti u.

Casi parece cosa de magia que podamos saber lo que ocurrió en los primeros instantes después del Big Bang, pero debido a la enorme velocidad de los procesos nucleares en relación con el enfriamiento, es posible, por aplicación de los métodos termodinámicos, describir el estado del sistema del Universo en expansión a cualquier temperatura. Esta desciende de acuerdo con la expresión: T = 1,5 10¹⁰/(raiz cuadrada del tiempo) , expresando la temperatura en grados absolutos o Kelvin y el tiempo en segundos.Rebasado el umbral (hacia abajo) correspondiente a los nucleones, estos dejan de producirse, al no disponer los fotones de la suficiente energía térmica para ello, y no se puede evitar, por contra, que desaparezcan por aniquilación. De no ser porque existió un ligero exceso de nucleones sobre antinucleones hubieran desaparecido para siempre, dejando únicamente como huella de su presencia los rayos gamma (fotones). Así es que muy pronto desaparecieron todos los antinucleones y quedó un resto, una ligera contaminación de materia que constaba de neutrones, protones, piones, muones (positivos y negativos), electrones y positrones y neutrinos y antineutrinos.

En apenas una "milésima de un suspiro" la sopa primigenia del Big Bang, en la que ni siquiera se habían formado los nucleones (protones y neutrones), pues únicamente se encontraban los quarks todavía no confinados, pasó a contener los elementos esenciales para poder formar los primeros núcleos atómicos. Con estos empieza la historia de la materia, con aquellos la "prehistoria". En esa "milésima de milésimas" se decidió toda la historia posterior.Sin esa ligera asimetría entre materia y antimateria nada habría sido igual y este Universo no habría dado ni la materia ni la vida. Esa parece ser la sutil constante en el desarrollo posterior de la materia y de la organización de las estructuras que, lejos del equilibrio, luchan por arrebatar el orden al entorno para autoorganizarse en sistemas cada vez más complejos, en lucha directa con el segundo principio de la termodinámica que establece que cualquier sistema cerrado tiende a la máxima entropía o al mínimo orden.

Para una visión más general ver el post: Los tres primeros minutos del Universo.