El Doctor Who contra la materia extraña via Física en la Ciencia Ficción Plus (ex ungue leonis)

En el episodio de la 20ª temporada de la mítica serie Doctor Who titulado "Arc of Infinity ", se describe una región del espacio carente de toda actividad estelar, antiguamente ocupada por una estrella de quarks, Rondel, los restos de la explosión en forma de supernova de una estrella muy masiva.

Las estrellas de quarks son estructuras más allá de las más conocidas estrellas de neutrones. En éstas, los protones se han combinado con los electrones debido a la enorme atracción gravitatoria. En aquéllas, dicha atracción llega a superar incluso a los efectos cuánticos (presión de degeneración) que hacen mantenerse estables a los neutrones y éstos se descomponen en sus componentes más básicos: los quarks. Las estrellas de quarks, si realmente existen, cosa que aún no está clara, deben ser más densas que las de neutrones, pero no tanto como para colapsar y dar lugar a la aparición de un agujero negro estelar. Al igual que sucede en el episodio arriba citado del quinto doctor, las estrellas de quarks como Rondel pueden llegar a estar rodeadas por campos magnéticos tan intensos como un billón de veces el de nuestro planeta, la Tierra. Aunque hay muy pocas candidatas conocidas a ser estrellas de quarks, cabe citar el objeto RXJ1856 , descubierto en 2002 por un equipo de astrónomos liderado por el doctor Jeremy Drake en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (Cambridge, Massachussetts, USA). Drake y sus colaboradores determinaron el diámetro del objeto, obteniendo unos 11 kilómetros, demasiado pequeño para ser una estrella de neutrones y, al mismo tiempo, demasiado brillante para tratarse de un agujero negro. Lo interpretaron como una posible estrella de quarks, aunque no descartaban otras posibilidades más "estándar".

Actualmente los físicos piensan que una estrella de quarks podría estar hecha de lo que se denominaría "materia extraña ", un término acuñado a mediados de la década de los años 1980 por E. Farhi y R. Jaffe. La materia extraña estaría compuesta por fragmentos mucho más pequeños denominados "strangelets ". Pero, ¿qué es un strangelet y por qué estoy hablando de ello aquí?

El Modelo Estándar de la física de partículas establece que todas las partículas que conocemos se pueden englobar en dos categorías denominadas leptones y quarks, cada una de las cuales aparecen bajo seis formas distintas. Me centraré en los quarks, que son los que tendrán relación con la materia extraña. Las seis familias de quarks conocidos se clasifican, a su vez, en tres generaciones, que son (en orden creciente de masa) : up y down, strange y charm, top y bottom. Las partículas subatómicas que conforman los núcleos atómicos de la materia ordinaria (los protones y los neutrones) están compuestas por tres quarks (dos up y uno down, en el caso de los protones y dos down y uno up, en el caso de los neutrones). Pues bien, un strangelet sería, dicho muy sencillamente, un estado o una hipotética partícula compuesta por un número igual de quarks up, down y strange (extraño, en inglés; de aquí los términos "strangelet" y "materia extraña").

Un strangelet tendría una vida extremadamente corta (de una fracción minúscula de un segundo) y acabaría desapareciendo, ya que el quark strange es extremadamente inestable. Sin embargo, A. Bodmer primero, en 1971 y, posteriormente, Ed Witten, en 1984, establecieron la hipótesis de la materia extraña . Según esta hipótesis (no ha sido, hasta el momento, corroborada ni comprobada en ningún experimento) un strangelet que estuviese formado por una gran cantidad de quarks podría ser más estable que los propios núcleos atómicos. Si este strangelet colisionara con un núcleo atómico de materia ordinaria, quizá lograría transformarlo en otro strangelet. Durante este proceso se liberaría energía que serviría de catalizador para otros muchos procesos similares. Así, se iniciaría una reacción en cadena que acabaría por transformar toda la materia ordinaria en strangelets. Dicho de otra forma: en materia extraña .

En la ciencia ficción no son pocas las ocasiones en que se aborda el tema de la materia extraña. Así, el séptimo Doctor Who, durante la 24ª temporada, se enfrenta en "Time and the Rani " a la malvada Rani, una "señora del tiempo" (Time Lady), quien pretende nada menos que volar un asteroide hecho de materia extraña, con la esperanza de destruir gran parte de nuestra galaxia. Otros ejemplos podéis encontrarlos en este artículo de la Wikipedia.

¿Podrían ser reales unos escenarios como los anteriores? ¿Qué sucedería si un strangelet colisionase con nuestro planeta? ¿Existen los strangelets en el universo o deben producirse mediante experimentos diseñados a propósito? ¿Podría haber strangelets vagando por el espacio interestelar? ¿Y si colisiones cósmicas naturales entre strangelets y materia ordinaria fuesen las responsables de la materia oscura , esa gran desconocida?

Hasta muy recientemente, hemos podido ver, escuchar y leer en la prensa todo tipo de sensacionalismos y escenarios apocalípticos sobre la producción de agujeros negros devoradores en el LHC, el gran colisionador de hadrones del CERN. Los científicos, agobiados y preocupados por la presión mediática, tuvieron que elaborar un informe donde expresaban sus opiniones (basadas en cálculos más que razonables) acerca del asunto, y concluían que semejantes desastres eran altísimamente improbables (la palabra imposible no suele usarse en el vocabulario de la ciencia).

Más de seis décadas antes, en 1942, Edward Teller, uno de los padres de la bomba atómica, se planteó también cuestiones similares, como la del hipotético incendio de toda la atmósfera terrestre en caso de que se llevase a cabo una detonación nuclear. En aquel entonces, tuvo que ser Hans Bethe quien llevase a cabo los cálculos que descartaban el apocalipsis. Posteriormente, en la década de los años 1950 la paranoia volvería a surgir con la invención de la bomba H, la bomba de fusión, mucho más poderosa que la de fisión. Otro físico, Gregory Briet, evaluaría las posibilidades de catástrofe global, llegando a la conclusión de siempre: remotas.

Más recientemente, en 1999, un año antes de la entrada en funcionamiento del RHIC (Acelerador Relativista de Iones Pesados), se planteó la posibilidad del escenario en el que las colisiones entre iones muy pesados, como los de oro o plomo (con 79 y 82 protones, así como 118 y 125 neutrones, respectivamente) podrían dar lugar a la formación de los temidos strangelets, que terminarían por asociarse y reducir todo el planeta Tierra a una esfera hiperdensa de unos 100 metros de diámetro, según las predicciones teóricas. Hay que tener en cuenta que en una colisión entre dos iones de oro, plomo o similar a altas velocidades, del orden de la de la luz en el vacío, se producirían más de 1.000 quarks (tres por cada protón o neutrón).

En esta ocasión, personas del prestigio del premio Nobel de física Sheldon Glashow, junto con Richard Wilson, pusieron de manifiesto que la conversión de la Tierra en un montón de materia extraña era altamente improbable (inferior a 1 posibilidad en 50 millones). Para ilustrar sus razonamientos, Glashow y Wilson tomaron el ejemplo de la Luna. Efectivamente, un astro como nuestro satélite natural, donde no existe atmósfera, sufre continuamente los impactos cósmicos de partículas pesadas que se desplazan a altas velocidades. ¿Por qué, entonces, sigue ahí y no se ha reducido a una masa informe y caliente de materia extraña?

Aunque el anterior razonamiento nos puede dejar más o menos tranquilos, otros investigadores, como Sir Martin Rees, advierten de que la situación de la Luna no es extrapolable a una situación como la que se tiene en un experimento en un acelerador de partículas. Rees argumenta que cuando una partícula relativista colisionase contra la superficie lunar, golpearía un núcleo atómico en reposo. Esto podría hacer que los strangelets resultantes saliesen despedidos con enorme violencia y se desintegrasen rápidamente, no volviendo a interactuar con otros núcleos atómicos, deteniéndose así la reacción en cadena. Sin embargo, en los aceleradores de partículas terrestres, debido a su diseño, la colisión se produce entre dos haces que se mueven en sentidos opuestos a lo largo del anillo. Tras el impacto, los strangelets podrían quedar en relativo reposo, teniendo la posibilidad de adueñarse de la materia ordinaria próxima. ¿Aterrador, no es cierto?

Pues no tanto, la verdad sea dicha. Y es que los físicos, esos seres de mentes superiores capaces de dejar a la altura de una nuez cualquier otro cerebro, han llegado a la asombrosa conclusión de que si los strangelets realmente llegasen a formarse deberían poseer una carga eléctrica positiva, lo que perjudicaría enormemente la interacción con los núcleos atómicos debido a la repulsión culombiana con los protones. Lo más probable es que los strangelets acabasen rápidamente apantallados por una nube de electrones que vendrían a nuestro rescate. Y es que no hay nada como la carga negativa... ¡¡Siempre negatiffo, nunca positiffo!!

Fuentes:

The Science of Doctor Who. Paul Parsons. Icon Books. 2006.

Our Final Hour. Sir Martin Rees. Basic Books. 2003.

50 maneras de destruir el mundo. Alok Jha. Ariel. 2012.

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