La aventura de la física de partículas

Un viaje de un siglo para construir el modelo estándar

Antonio Ferrer Soria, Eduardo Ros Martínez

• Publisher: Publicacions de la Universitat de València
• Year: 2019
• ISBN:
  9788491345312
• Edition: 1
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Physics
• Index: Physics

'La aventura de la física de partículas. Un viaje de un siglo para construir el modelo estándar' es un texto de carácter divulgativo que aborda en diez capítulos la descripción de los grandes hitos y descubrimientos que han permitido la validación de la teoría, denominada modelo estándar, que explica las fuerzas fundamentales que actúan entre los constituyentes elementales de la materia. En este relato histórico se presentan las ideas y los hallazgos de los experimentos más famosos, identificando los premios Nobel galardonados por ellos. Los autores son profesores e investigadores de la Universitat de València y participan en el experimento ATLAS del CERN, que descubrió en 2012 el famoso bosón de Higgs.

1 Las partículas elementales

El hombre, ser inteligente, ha buscado infatigablemente responder a la pregunta de qué está hecho el Universo (entorno natural en el que se ha desarrollado la vida) y comprender las leyes que rigen su comportamiento. Este es el conjunto de conocimientos que definen la física. Durante el siglo XX la comprensión del Universo ha tenido un desarrollo notable; ya se dispone de una teoría cosmológica bien establecida que explica el origen y evolución del Universo: la teoría del Big Bang. El Universo que conocemos se originó hace unos 13.500 millones de años, como consecuencia de una fluctuación cuántica; en ese instante la materia estaba en equilibrio con la radiación (fotones) y con la antimateria, a una temperatura y densidad infinitamente grandes. A partir del Big Bang, el Universo inicia su evolución, es decir, nacen el espacio y el tiempo y se expanden. La física de partículas y la cosmología comparten su interés por estudiar este instante inicial en el que las partículas elementales: los quarks, leptones y bosones intermediarios, están interaccionando entre sí y en equilibrio con sus antipartículas y con la radiación (los fotones). La expansión del Universo implica enfriamiento, esto es, la energía media de las partículas va disminuyendo y hay reacciones entre ellas que ya no son posibles y desaparecen. En este proceso evolutivo se atraviesan varios umbrales, como la nucleosíntesis primordial, tres segundos después del Big Bang, cuando se forman los protones y neutrones, o la aparición de los átomos de hidrógeno (300.000 años después), que rompe el equilibrio materia-radiación debido al desacoplamiento de la radiación, con lo que la luz viaja libremente y va perdiendo energía con el tiempo. Esta es hoy la radiación de fondo de microondas, considerada como una de las reliquias más convincentes de la teoría del Big Bang.

La tarea del físico de partículas es buscar e identificar los constituyentes más elementales de la materia. Es decir, aquellos que protagonizaron los primeros instantes del Big Bang, y posteriormente, al ir perdiendo energía, fueron agregándose gracias a las fuerzas fundamentales y fueron creando todas las formas de materia conocidas. Se sabe que la materia está hecha de partículas que tienen propiedades físicas bien establecidas, como la carga eléctrica, la masa y otras no tan clásicas, como el espín. Esta magnitud sirve para clasificar las partículas en fermiones, con espín semientero: s = 1/2, 3/2, ... (los quarks y leptones tienen s = 1/2), y bosones, con espín entero: 0, 1, 2, ... (los bosones intermediarios responsables de las interacciones fundamentales tienen s = 1). Por fin, a partir de los átomos y moléculas, se crearon los estados conocidos de la materia: plasmas, gases, líquidos y sólidos.

El estudio de los constituyentes y sus interacciones progresó enormemente durante el siglo XX gracias al desarrollo de aceleradores y detectores de partículas, que se beneficiaron del desarrollo paralelo de nuevas y modernas tecnologías. La teoría que aborda el estudio de las partículas elementales y sus interacciones se denomina modelo estándar. En lo que sigue, se describirá un resumen de su historia en estos últimos cien años.

FAMILIAS DE PARTÍCULAS

La idea de que la materia está formada por entes elementales es muy antigua, ya que se remonta a la antigua Grecia. Sin embargo, esta idea ha evolucionado considerablemente a lo largo de la historia. En 1869, Mendeléyev establece la célebre tabla periódica de los elementos, que contiene lo que los científicos del siglo XIX consideraban como constituyentes elementales de la materia. Hoy día sabemos que estos constituyentes, los átomos, no son elementales, sino que están formados por electrones y un núcleo. Este núcleo tampoco es elemental: está formado por dos tipos de bariones: los protones y los neutrones, que a su vez están compuestos por entes todavía más elementales, los quarks u y d, ligados por la interacción fuerte propagada por gluones. Según los conocimientos actuales, existen únicamente doce constituyentes elementales de la materia (muchos de ellos inestables y por tanto inexistentes en la naturaleza) que se pueden agrupar en cuatro series distintas: los leptones cargados (como el electrón), los leptones neutros (o neutrinos), los quarks de tipo u con carga +2/3 y los quarks de tipo d con carga -1/3, en unidades de la carga absoluta del electrón (que es negativa por convenio). Aparecen tres familias de constituyentes, pero solo la primera forma la materia bariónica del Universo.

Todas estas partículas elementales reciben el nombre de fermiones elementales. Han sido descubiertas a lo largo del siglo xx: la primera, el electrón, en 1897, y la última, el quark t, en 1995. Otro descubrimiento muy importante ha sido el de la existencia para cada una de estas partículas de una antipartícula, es decir, otra partícula idéntica, pero con carga eléctrica opuesta. Existe finalmente otro tipo de partículas, llamadas bosones elementales, que son las responsables de las interacciones.

INTERACCIONES

L os fermiones elementales pueden interaccionar entre ellos según cuatro tipos distintos de interacción: electromagnética, gravitacional, fuerte y débil. Las interacciones electromagnética y gravitacional son de largo alcance y sus propiedades son bien conocidas en el marco de la física clásica desarrollada a lo largo del siglo XIX. Las interacciones fuerte y débil, por el contrario, se manifiestan a muy corta distancia, en el interior de los núcleos, por ejemplo, y su descripción solo puede efectuarse en el marco de la física cuántica. Así como la interacción electromagnética se aplica únicamente a partículas cargadas (es decir, todas menos los neutrinos), la interacción fuerte es únicamente relevante en el caso de los quarks. Las interacciones débil y gravitacional, por su parte, son aplicables a todos los fermiones.

Existe en la actualidad una teoría que describe de forma satisfactoria todas las interacciones entre fermiones, salvo la gravitacional: es el llamado modelo estándar, formulado en su primera versión para leptones por Weinberg y Salam en 1967 y completado en 1973 con la integración de los quarks. Según este modelo, que incorpora todos los avances de la física cuántica relativista, las interacciones entre fermiones se realizan mediante el intercambio de otro tipo de partículas: los bosones vectoriales (tienen espín s = 1). Su existencia es debida a la invariancia «gauge local». Pueden ser de cuatro tipos: fotón γ, gluon g y los bosones intermediarios W^± y Z. El fotón es responsable de la interacción electromagnética, el gluon, de la interacción fuerte y los bosones intermediarios, de la débil. Solo los bosones W tienen carga eléctrica. Todos han sido bien estudiados experimentalmente.

El modelo estándar predice también la existencia del bosón de Higgs. Ha sido el último en ser descubierto. Es un bosón escalar (de espín s = 0) y su interacción es la que da la masa a los bosones W^±, Z y a todos los fermiones fundamentales. Su existencia se explica por el mecanismo de Higgs, que se verá más adelante. En el año 2012, los experimentos ATLAS y CMS instalados en el colisionador LHC del CERN presentaron la evidencia experimental de su existencia.

ACELERADORES

Los primeros experimentos con partículas elementales utilizaban fuentes radiactivas. Posteriormente se utilizó la radiación cósmica, pero a partir de los años sesenta casi todos los grandes descubrimientos en este campo se han logrado gracias a los aceleradores de partículas. Los aceleradores permiten impulsar partículas cargadas, principalmente electrones y protones, hasta energías que han ido aumentando considerablemente.

Los primeros aceleradores que se construyeron, como el de la fotografía de abajo, eran de tipo electrostático (Cockroft-Walton, Van der Graaff). Estos aceleradores están limitados a energías de unos 10 MeV y hoy día ya solo se utilizan en física nuclear o en medicina. A partir de los años cincuenta se desarrollaron rápidamente los aceleradores de corriente alterna como el acelerador lineal, el ciclotrón o el sincrotrón. De los 10 MeV del ciclotrón de 1940 se llega a más de 10 GeV en los sincrotrones de los años sesenta.

Con objeto de alcanzar la mayor energía posible en centro de masas, se pasa hacia 1970 del concepto de acelerador de blanco fijo al concepto de colisionador. Un ejemplo de colisionador es el anillo de colisiones LEP del CERN, aquí arriba, que ha estado en funcionamiento entre 1989 y 2000, donde se aceleraban electrones y positrones hasta unos 100 GeV. En el colisionador LHC del CERN, que inició su funcionamiento en 2010, se aceleraban protones hasta energías de 3,5 TeV, y han alcanzado 6,5 TeV en 2015.

DETECTORES

Las técnicas de detección de partículas elementales han evolucionado también considerablemente a lo largo del siglo XX. Inicialmente se detectaban, por ejemplo, con un microscopio gracias a la fluorescencia que producían al impactar contra ciertos materiales.

Posteriormente se desarrollaron técnicas fotográficas (cámara de niebla, cámara de burbujas, etc.) que permitían detectar las trazas de las partículas cargadas gracias a la ionización que producen en ciertos gases. La fotografía de arriba muestra una cámara de niebla. Este detector, inventado por Wilson en 1912, ha jugado un papel muy importante en experimentos efectuados en la primera mitad del siglo XX.

A partir de los años setenta aparecen los grandes «detectores electrónicos» (cámaras de hilos, calorímetros, etc.), mucho más rápidos que los anteriores. La gran ventaja de estos detectores es que producen señales analógicas que se pueden digitalizar. Esto permite la acumulación de grandes cantidades de sucesos y su análisis posterior mediante el uso de potentes ordenadores. La fotografía muestra la parte central de uno de los cuatro detectores de LEP llamado DELPHI, en el que participó el grupo de investigadores científicos y técnicos del IFIC (Centro Mixto de la Universitat de València y del CSIC), así como el grupo de la Universidad de Santander, y posteriormente el grupo de la UCM.

2 Electrones y positrones

El Universo conocido contiene materia constituida por quarks y leptones, aunque en una pequeña proporción, ya que este tipo de materia representa solamente el 3 % de la materia y energía del Universo. La llamada materia oscura (un 27 %) sigue sin estar identificada y l...