¿Por qué existen partículas sin masa?

Que un fotón es una partícula sin masa es algo que seguramente has escuchado si has explorado la divulgación científica en física de partículas o te has adentrado en su estudio de manera más académica. Esta afirmación es correcta, pero es importante entender qué implica que una partícula carezca de masa. Primero, es esencial definir qué entendemos por una partícula y por la masa. Si te pido que visualices una partícula, lo más probable es que imagines una pequeña esfera brillante y veloz. Sin embargo, esta representación no refleja la realidad. La culpa detrás de esta simplificación está probablemente en quienes nos esforzamos en hacer la ciencia accesible y también en el hecho de que el universo es más complejo de lo que nos gustaría.

El fotón no es la única partícula sin masa. También lo es el gluón, la partícula mediadora de la interacción nuclear fuerte, la que afecta a los quarks por tener carga de color. El color es por ejemplo el que mantiene unidos a los quarks que componen a protones y neutrones. Pero a pesar de no tener masa, el hecho de que tenga carga de color nos impide verla en solitario, alejada de quarks u otros sistemas donde afecte la interacción fuerte, por culpa de lo que se conoce como el “confinamiento de color”. Los neutrinos también se pensó que podrían ser partículas sin masa, aunque sea ha visto que en verdad sí tienen masa, aunque esta sea increíblemente pequeña. El gravitón, la hipotética partícula que sería la encargada de transmitir la gravedad, tampoco tendría masa, de existir.

En realidad, la idea de una partícula como una esfera minúscula es una construcción nuestra para facilitar el entendimiento y la práctica de la física. Esta imagen nos ayuda a resolver ecuaciones y comprender ciertos fenómenos, aunque la naturaleza es mucho más compleja. Por ejemplo, analizar fenómenos como el efecto fotoeléctrico o el efecto Compton es más sencillo si consideramos a los fotones y electrones como partículas. Pero hay otros fenómenos que requieren una interpretación diferente. Los resultados del experimento de la doble rendija, ya sea con fotones o electrones, son característicos de las ondas. Estas entidades son en realidad alteraciones de un campo cuántico, que en ocasiones se comportan como lo que llamamos partículas y otras como aquello que entendemos como ondas, aunque en verdad no sean ninguna de las dos.

Por lo tanto, podemos decir que una partícula es cualquier cosa que pueda ser detectada por un detector de partículas. Imagina que posees una fuente de fotones, como un láser. Además, cuentas con un dispositivo que emite un sonido o incrementa un contador cada vez que detecta un fotón. De alguna manera, podrías ajustar este sistema para que los fotones sean detectados individualmente. Podrías utilizar algún tipo de filtro o una ranura increíblemente estrecha, que limite la cantidad de partículas que la atraviesan. También podrías simplemente alejarte lo suficiente de dicha fuente de luz, para que apenas te lleguen fotones de ella. Cada fotón detectado, cada entidad que activa el detector y provoca el sonido o el cambio en el contador, es una partícula. Aunque esta definición pueda parecer limitada, es necesaria debido a la naturaleza esquiva de las partículas, que no se manifiestan de una forma tangible y concreta.

Queda explicar qué entendemos por masa. De acuerdo con la teoría de la relatividad especial, formulada por Albert Einstein en 1905 poco después de sugerir que la luz está compuesta de partículas, la energía de una partícula se compone de dos partes: su energía cinética, que proviene de su movimiento a cierta velocidad, y su energía de reposo, es decir, su masa, cuando la partícula está inmóvil. Así, una partícula sin masa es aquella que carece de energía de reposo, por lo que toda su energía proviene del movimiento.

Esto implica que un fotón nunca puede estar en reposo. Pero, ¿qué significa estar en reposo realmente? Cuando viajas en tren claramente no estás en reposo, porque precisamente lo utilizas para deplazarte hasta un lugar lejano. Sin embargo, para ti, la persona sentada a tu lado y todo el tren parecen estar en reposo, ya que su velocidad es cero en relación contigo. Si un fotón tuviera alguna velocidad determinada, podrías teóricamente viajar en una nave espacial a la misma velocidad y considerar que el fotón está en reposo. No obstante, esto es imposible según la relatividad, que nos enseña que las leyes de la física y la naturaleza son independientes del sistema de referencia utilizado. Si un fotón carece de energía de reposo en un sistema de referencia, lo mismo ocurrirá en todos los demás.

Por lo tanto, un fotón se ve obligado a moverse siempre a la velocidad de la luz, independientemente de qué sistema de referencia utilicemos para medir dicha velocidad. Otra manera de verlo es que la velocidad de la luz es, en realidad, la velocidad a la que se desplazan los fotones y cualquier otra partícula sin masa. En otras palabras, la velocidad de la luz es la velocidad a la que se mueven las partículas cuya energía es totalmente cinética. Por lo tanto, una partícula con masa nunca tendrá su energía compuesta únicamente por energía cinética, ya que siempre habrá una contribución derivada de su masa. Esto lleva a la conclusión de que carecer de masa y viajar a la velocidad de la luz son, en esencia, lo mismo.

Por tanto la masa no es más que una más de las contribuciones a la energía de una partícula. Si una partícula no está en movimiento diremos que no tiene energía cinética, si descansa sobre la superficie de la Tierra diremos que no tiene energía potencial gravitatoria y si no tiene masa diremos… que no tiene masa. Esto resulta complicado de entender porque se aleja demasiado de lo que nos rodea en nuestro día a día, pero es algo bastante poco reseñable desde el punto de vista científico y de las matemáticas que describen esa ciencia.

Referencias: