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La aventura de la fĂsica de partĂculas
Un viaje de un siglo para construir el modelo estĂĄndar
Antonio Ferrer Soria, Eduardo Ros MartĂnez
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La aventura de la fĂsica de partĂculas
Un viaje de un siglo para construir el modelo estĂĄndar
Antonio Ferrer Soria, Eduardo Ros MartĂnez
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'La aventura de la fĂsica de partĂculas. Un viaje de un siglo para construir el modelo estĂĄndar' es un texto de carĂĄcter divulgativo que aborda en diez capĂtulos la descripciĂłn de los grandes hitos y descubrimientos que han permitido la validaciĂłn de la teorĂa, denominada modelo estĂĄndar, que explica las fuerzas fundamentales que actĂșan entre los constituyentes elementales de la materia. En este relato histĂłrico se presentan las ideas y los hallazgos de los experimentos mĂĄs famosos, identificando los premios Nobel galardonados por ellos. Los autores son profesores e investigadores de la Universitat de ValĂšncia y participan en el experimento ATLAS del CERN, que descubriĂł en 2012 el famoso bosĂłn de Higgs.
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Informations
1 Las partĂculas elementales
El hombre, ser inteligente, ha buscado infatigablemente responder a la pregunta de quĂ© estĂĄ 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 fĂsica. Durante el siglo XX la comprensiĂłn del Universo ha tenido un desarrollo notable; ya se dispone de una teorĂa cosmolĂłgica bien establecida que explica el origen y evoluciĂłn del Universo: la teorĂa del Big Bang. El Universo que conocemos se originĂł hace unos 13.500 millones de años, como consecuencia de una fluctuaciĂłn cuĂĄntica; en ese instante la materia estaba en equilibrio con la radiaciĂłn (fotones) y con la antimateria, a una temperatura y densidad infinitamente grandes. A partir del Big Bang, el Universo inicia su evoluciĂłn, es decir, nacen el espacio y el tiempo y se expanden. La fĂsica de partĂculas y la cosmologĂa comparten su interĂ©s por estudiar este instante inicial en el que las partĂculas elementales: los quarks, leptones y bosones intermediarios, estĂĄn interaccionando entre sĂ y en equilibrio con sus antipartĂculas y con la radiaciĂłn (los fotones). La expansiĂłn del Universo implica enfriamiento, esto es, la energĂa media de las partĂculas va disminuyendo y hay reacciones entre ellas que ya no son posibles y desaparecen. En este proceso evolutivo se atraviesan varios umbrales, como la nucleosĂntesis primordial, tres segundos despuĂ©s del Big Bang, cuando se forman los protones y neutrones, o la apariciĂłn de los ĂĄtomos de hidrĂłgeno (300.000 años despuĂ©s), que rompe el equilibrio materia-radiaciĂłn debido al desacoplamiento de la radiaciĂłn, con lo que la luz viaja libremente y va perdiendo energĂa con el tiempo. Esta es hoy la radiaciĂłn de fondo de microondas, considerada como una de las reliquias mĂĄs convincentes de la teorĂa del Big Bang.
La tarea del fĂsico de partĂculas es buscar e identificar los constituyentes mĂĄs elementales de la materia. Es decir, aquellos que protagonizaron los primeros instantes del Big Bang, y posteriormente, al ir perdiendo energĂa, fueron agregĂĄndose gracias a las fuerzas fundamentales y fueron creando todas las formas de materia conocidas. Se sabe que la materia estĂĄ hecha de partĂculas que tienen propiedades fĂsicas bien establecidas, como la carga elĂ©ctrica, la masa y otras no tan clĂĄsicas, como el espĂn. Esta magnitud sirve para clasificar las partĂculas en fermiones, con espĂn semientero: s = 1/2, 3/2, ... (los quarks y leptones tienen s = 1/2), y bosones, con espĂn entero: 0, 1, 2, ... (los bosones intermediarios responsables de las interacciones fundamentales tienen s = 1). Por fin, a partir de los ĂĄtomos y molĂ©culas, se crearon los estados conocidos de la materia: plasmas, gases, lĂquidos y sĂłlidos.
El estudio de los constituyentes y sus interacciones progresĂł enormemente durante el siglo XX gracias al desarrollo de aceleradores y detectores de partĂculas, que se beneficiaron del desarrollo paralelo de nuevas y modernas tecnologĂas. La teorĂa que aborda el estudio de las partĂculas elementales y sus interacciones se denomina modelo estĂĄndar. En lo que sigue, se describirĂĄ un resumen de su historia en estos Ășltimos cien años.
FAMILIAS DE PARTĂCULAS
La idea de que la materia estĂĄ 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, MendelĂ©yev establece la cĂ©lebre tabla periĂłdica de los elementos, que contiene lo que los cientĂficos del siglo XIX consideraban como constituyentes elementales de la materia. Hoy dĂa sabemos que estos constituyentes, los ĂĄtomos, no son elementales, sino que estĂĄn formados por electrones y un nĂșcleo. Este nĂșcleo tampoco es elemental: estĂĄ formado por dos tipos de bariones: los protones y los neutrones, que a su vez estĂĄn compuestos por entes todavĂa mĂĄs elementales, los quarks u y d, ligados por la interacciĂłn fuerte propagada por gluones. SegĂșn los conocimientos actuales, existen Ășnicamente 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 electrĂłn), 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 electrĂłn (que es negativa por convenio). Aparecen tres familias de constituyentes, pero solo la primera forma la materia bariĂłnica del Universo.
Todas estas partĂculas elementales reciben el nombre de fermiones elementales. Han sido descubiertas a lo largo del siglo xx: la primera, el electrĂłn, en 1897, y la Ășltima, el quark t, en 1995. Otro descubrimiento muy importante ha sido el de la existencia para cada una de estas partĂculas de una antipartĂcula, es decir, otra partĂcula idĂ©ntica, pero con carga elĂ©ctrica opuesta. Existe finalmente otro tipo de partĂculas, llamadas bosones elementales, que son las responsables de las interacciones.
INTERACCIONES
L os fermiones elementales pueden interaccionar entre ellos segĂșn cuatro tipos distintos de interacciĂłn: electromagnĂ©tica, gravitacional, fuerte y dĂ©bil. Las interacciones electromagnĂ©tica y gravitacional son de largo alcance y sus propiedades son bien conocidas en el marco de la fĂsica clĂĄsica desarrollada a lo largo del siglo XIX. Las interacciones fuerte y dĂ©bil, por el contrario, se manifiestan a muy corta distancia, en el interior de los nĂșcleos, por ejemplo, y su descripciĂłn solo puede efectuarse en el marco de la fĂsica cuĂĄntica. AsĂ como la interacciĂłn electromagnĂ©tica se aplica Ășnicamente a partĂculas cargadas (es decir, todas menos los neutrinos), la interacciĂłn fuerte es Ășnicamente relevante en el caso de los quarks. Las interacciones dĂ©bil y gravitacional, por su parte, son aplicables a todos los fermiones.
Existe en la actualidad una teorĂa que describe de forma satisfactoria todas las interacciones entre fermiones, salvo la gravitacional: es el llamado modelo estĂĄndar, formulado en su primera versiĂłn para leptones por Weinberg y Salam en 1967 y completado en 1973 con la integraciĂłn de los quarks. SegĂșn este modelo, que incorpora todos los avances de la fĂsica cuĂĄntica relativista, las interacciones entre fermiones se realizan mediante el intercambio de otro tipo de partĂculas: los bosones vectoriales (tienen espĂn s = 1). Su existencia es debida a la invariancia «gauge local». Pueden ser de cuatro tipos: fotĂłn Îł, gluon g y los bosones intermediarios W± y Z. El fotĂłn es responsable de la interacciĂłn electromagnĂ©tica, el gluon, de la interacciĂłn fuerte y los bosones intermediarios, de la dĂ©bil. Solo los bosones W tienen carga elĂ©ctrica. Todos han sido bien estudiados experimentalmente.
El modelo estĂĄndar predice tambiĂ©n la existencia del bosĂłn de Higgs. Ha sido el Ășltimo en ser descubierto. Es un bosĂłn escalar (de espĂn s = 0) y su interacciĂłn 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 verĂĄ mĂĄs 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 partĂculas elementales utilizaban fuentes radiactivas. Posteriormente se utilizĂł la radiaciĂłn cĂłsmica, pero a partir de los años sesenta casi todos los grandes descubrimientos en este campo se han logrado gracias a los aceleradores de partĂculas. Los aceleradores permiten impulsar partĂculas cargadas, principalmente electrones y protones, hasta energĂas que han ido aumentando considerablemente.
Los primeros aceleradores que se construyeron, como el de la fotografĂa de abajo, eran de tipo electrostĂĄtico (Cockroft-Walton, Van der Graaff). Estos aceleradores estĂĄn limitados a energĂas de unos 10 MeV y hoy dĂa ya solo se utilizan en fĂsica nuclear o en medicina. A partir de los años cincuenta se desarrollaron rĂĄpidamente los aceleradores de corriente alterna como el acelerador lineal, el ciclotrĂłn o el sincrotrĂłn. De los 10 MeV del ciclotrĂłn de 1940 se llega a mĂĄs de 10 GeV en los sincrotrones de los años sesenta.
Con objeto de alcanzar la mayor energĂa 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, aquĂ 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 iniciĂł su funcionamiento en 2010, se aceleraban protones hasta energĂas de 3,5 TeV, y han alcanzado 6,5 TeV en 2015.
DETECTORES
Las tĂ©cnicas de detecciĂłn de partĂculas elementales han evolucionado tambiĂ©n considerablemente a lo largo del siglo XX. Inicialmente se detectaban, por ejemplo, con un microscopio gracias a la fluorescencia que producĂan al impactar contra ciertos materiales.
Posteriormente se desarrollaron tĂ©cnicas fotogrĂĄficas (cĂĄmara de niebla, cĂĄmara de burbujas, etc.) que permitĂan detectar las trazas de las partĂculas cargadas gracias a la ionizaciĂłn que producen en ciertos gases. La fotografĂa de arriba muestra una cĂĄmara 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 electrĂłnicos» (cĂĄmaras de hilos, calorĂmetros, etc.), mucho mĂĄs rĂĄpidos que los anteriores. La gran ventaja de estos detectores es que producen señales analĂłgicas que se pueden digitalizar. Esto permite la acumulaciĂłn de grandes cantidades de sucesos y su anĂĄlisis posterior mediante el uso de potentes ordenadores. La fotografĂa muestra la parte central de uno de los cuatro detectores de LEP llamado DELPHI, en el que participĂł el grupo de investigadores cientĂficos y tĂ©cnicos del IFIC (Centro Mixto de la Universitat de ValĂšncia y del CSIC), asĂ 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 proporciĂłn, ya que este tipo de materia representa solamente el 3 % de la materia y energĂa del Universo. La llamada materia oscura (un 27 %) sigue sin estar identificada y l...