Las Partículas elementales

Partículas elementales, en un principio, unidades de materia consideradas fundamentales; en la actualidad, las partículas subatómicas en general. La física de partículas —el estudio de las partículas elementales y sus interacciones— también se llama física de altas energías porque la energía necesaria para estudiar distancias extremadamente pequeñas es muy elevada, como consecuencia del principio de incertidumbre. Originalmente se aplicó el término “partícula elemental” a estos constituyentes de la materia porque se creían indivisibles. Hoy se sabe que muchas de estas partículas son sumamente complejas, pero se las sigue llamando partículas elementales.

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EL AUGE DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS

La física de partículas es la última etapa en el estudio de componentes de la materia cada vez más pequeños. Antes del siglo XX, los físicos estudiaban las propiedades de la materia macroscópica, a gran escala. Sin embargo, a finales del siglo XIX su atención se centró en la física de átomos y moléculas. Los átomos y las moléculas tienen diámetros del orden de 10^-10 m, y el estudio de sus estructuras provocó grandes avances de la teoría cuántica entre 1925 y 1930. A principios de la década de 1930, los científicos empezaron a investigar la estructura de los núcleos atómicos, que tienen diámetros de entre 10^-15 y 10^-14 metros. Los conocimientos sobre la estructura nuclear avanzaron hasta el punto de hacer posible el uso de la energía nuclear, tanto en las centrales nucleares como en las armas nucleares. En los años que siguieron a la II Guerra Mundial, los físicos se dieron cuenta de la necesidad de estudiar más en profundidad las partículas elementales para comprender la estructura fundamental de los núcleos atómicos.

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CLASIFICACIÓN

En la actualidad se conocen experimentalmente varios cientos de partículas elementales. Pueden dividirse en distintas categorías generales. Los hadrones y leptones se definen según los tipos de fuerza que actúan sobre ellos (ver más adelante). Las fuerzas se transmiten mediante otro tipo de partículas llamadas portadoras.

Los protones y neutrones son los componentes básicos de los núcleos atómicos, que en combinación con los electrones forman los átomos. Los fotones son las unidades fundamentales de la radiación electromagnética, que incluye las ondas de radio, la luz visible y los rayos X. El neutrón es inestable como partícula aislada, y se desintegra para dar lugar a un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. Este proceso se simboliza de la forma siguiente: n → p + e + _eLos neutrones tienen una vida media de 887 segundos. Sin embargo, cuando se combinan con protones para formar determinados núcleos atómicos, como el oxígeno 16 o el hierro 56, los neutrones se estabilizan. La mayoría de las partículas elementales conocidas han sido descubiertas después de 1945, algunas en rayos cósmicos y el resto en experimentos con aceleradores de alta energía (véase Aceleradores de partículas). Se ha postulado la existencia de muchas otras partículas, como el gravitón, que se cree que transmite la fuerza gravitatoria.

En 1930, el físico británico Paul A. M. Dirac predijo, por motivos teóricos, que a cada tipo de partícula elemental le corresponde otro tipo conocido como antipartícula de la primera. La antipartícula del electrón fue descubierta en 1932 por el físico estadounidense Carl D. Anderson, que la llamó positrón. El antiprotón fue descubierto en 1955 por los físicos estadounidenses Owen Chamberlain y Emilio Segre. En la actualidad se sabe que la predicción de Dirac es válida para todas las partículas elementales, aunque algunas, como el fotón, son sus propias antipartículas. Los físicos suelen utilizar una barra horizontal para indicar las antipartículas. Así, _e es la antipartícula de v_e.

Las partículas también pueden clasificarse según su espín, o momento angular intrínseco, en bosones y fermiones. El espín de los bosones es un múltiplo entero de una constante, h; el de los fermiones es un múltiplo semientero de dicha constante, como, por ejemplo, (3/2) h.

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FUERZAS FUNDAMENTALES

Las partículas elementales ejercen fuerzas sobre las demás partículas y son continuamente creadas y aniquiladas. En realidad, las fuerzas y los procesos de creación y aniquilación son fenómenos relacionados, y se denominan colectivamente interacciones o fuerzas fundamentales. Se conocen cuatro tipos de interacción (aunque se han postulado más):

La interacción nuclear fuerte es la más intensa, y es la responsable de la vinculación de protones y neutrones para formar núcleos. Le sigue en intensidad la interacción electromagnética, que une los electrones a los núcleos en átomos y moléculas. Desde el punto de vista práctico, esta unión reviste una gran importancia porque todas las reacciones químicas conllevan transformaciones de esta unión electromagnética de los electrones y los núcleos. La llamada interacción débil, o fuerza nuclear débil, es mucho menos intensa. Rige la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos, que fue observada por primera vez (1896-1898) por los físicos y químicos franceses Antoine H. Becquerel, Pierre y Marie Curie. La interacción gravitatoria es importante a gran escala, aunque es la más débil de las interacciones entre partículas elementales.

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LEYES DE CONSERVACIÓN

La dinámica de las interacciones de las partículas elementales se rige por ecuaciones de movimiento que son generalizaciones de las tres leyes fundamentales de la dinámica de Newton (véase Mecánica). En la mecánica newtoniana, la energía, el momento y el momento angular no se crean ni se destruyen: son magnitudes que se conservan. Aunque la energía existe en muchas formas que pueden transformarse unas en otras, la energía total no cambia. En las interacciones entre partículas elementales siguen estando vigentes estas leyes de conservación, pero se han descubierto leyes de conservación adicionales de gran importancia en la estructura y las interacciones de los núcleos atómicos y las partículas elementales.

5.1

Simetría y números cuánticos

Hasta comienzos del siglo XX, los principios de simetría se aplicaban en física casi exclusivamente a problemas de mecánica de fluidos y cristalografía. Después de 1925, con el éxito cada vez mayor de la teoría cuántica en la descripción del átomo y los procesos atómicos, los físicos descubrieron que las consideraciones de simetría implicaban números cuánticos (que describen los estados atómicos) y reglas de selección (que rigen las transiciones entre estados atómicos). Como los números cuánticos y las reglas de selección son necesarios para describir los fenómenos atómicos y subatómicos, las consideraciones de simetría resultan esenciales en la física de las partículas elementales.

5.2

Paridad (P)

La mayoría de los principios de simetría afirman que un fenómeno determinado es invariante (no cambia) cuando se transforman ciertas coordenadas espaciales de un modo determinado. El principio de simetría de reflexión espacial, o conservación de la paridad (P), afirma que las leyes de la naturaleza son invariantes cuando las tres coordenadas espaciales x, y, z de todas las partículas se reflejan (es decir, cuando se cambian de signo; esta operación también se denomina paridad). Por ejemplo, supongamos que una reacción (colisión o interacción) entre dos partículas A y B con momentos p_A y p_B tiene una determinada probabilidad de producir otras dos partículas C y D con momentos p_C y p_D. Llamemos R a esta reacción: A + B → C + D          (R)Si las partículas A y B con momentos -p_A y -p_B producen las partículas C y D con momentos -p_C y -p_D con la misma probabilidad que R, significa que la reacción es invariante bajo paridad (P).

5.3

Simetría de conjugación de carga (C)

Para ilustrar el principio de simetría de conjugación de carga emplearemos la misma reacción R. Si se sustituyen las partículas A, B, C y D por sus antipartículas Ā, ,  y , R se convierte en la siguiente reacción (que puede o no tener lugar en la realidad): Ā +  →  +           C(R)Llamemos a esta reacción hipotética C(R): es la reacción conjugada de R. Si C(R) tiene lugar y se produce con la misma probabilidad que R, la reacción es invariante bajo conjugación de carga (C).

5.4

Simetría de inversión temporal (T)

El principio de simetría de inversión temporal, o reversibilidad del tiempo, se define de forma similar. El principio afirma que si una reacción R es invariante bajo T, la probabilidad de la reacción inversa C + D → A + B          T(R)es igual a la probabilidad de R.

5.5

Simetría e intensidad de las interacciones

Se ha demostrado que los cuatro tipos de interacción presentan clases de simetría muy diferentes. Antes de 1957, se creía que la simetría de reflexión espacial (o conservación de la paridad) se daba en todas las interacciones. En 1956, los físicos estadounidenses de origen chino Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang indicaron que en realidad no se había comprobado la conservación de la paridad en la interacción débil, y sugirieron varios experimentos para hacerlo. Uno de ellos fue realizado al año siguiente por la física estadounidense de origen chino Chien-Shiung Wu y sus colaboradores: descubrieron que la paridad no se conservaba en esa interacción. La consecuencia fue el descubrimiento de que las partículas emitidas en la interacción débil tienden a mostrar “quiralidad”, una relación determinada entre su espín y su sentido de movimiento. En particular, los neutrinos v_e y v_µ, que sólo están implicados en las interacciones débil y gravitatoria, siempre tienen un espín levógiro; es decir, el espín de la partícula tiene sentido opuesto a su movimiento. Los físicos estadounidenses James W. Cronin y Val L. Fitch y sus colaboradores descubrieron en 1964 que la interacción débil no es simétrica bajo inversión temporal.

5.6

Simetría y quarks

Murray Gell-Mann

El físico estadounidense Murray Gell-Mann fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1969 por sus investigaciones sobre las interacciones de las partículas elementales. En 1963, independientemente del físico estadounidense George Zweig, propuso el concepto de quark.

La clasificación de las partículas elementales se basa en sus números cuánticos, por lo que está muy relacionada con las ideas sobre simetría. Basándose en estas consideraciones, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente en 1963 que los bariones y los mesones están formados por componentes más pequeños, que Gell-Mann llamó quarks. Sugirieron tres tipos de quark, cada uno con su correspondiente antiquark. Se han acumulado pruebas indirectas muy convincentes del modelo de quark para los bariones y mesones, sobre todo después de que, en 1974, los físicos estadounidenses Samuel C. C. Ting y Burton Richter descubrieran las partículas Ji-Psí. Actualmente se acepta de forma generalizada la existencia de seis tipos de quark.

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TEORÍA DE CAMPO DE LAS INTERACCIONES

Hasta mediados del siglo XIX se creía que las interacciones o fuerzas fundamentales actuaban a distancia. El científico británico Michael Faraday lanzó la idea de que las interacciones se transmiten de un cuerpo a otro a través de un campo. El físico británico James Clerk Maxwell dio forma matemática a las ideas de Faraday, con lo que estableció la primera teoría de campo, que incluye las ecuaciones de Maxwell para las interacciones electromagnéticas. En 1916, Albert Einstein publicó su teoría de la interacción gravitatoria, que se convirtió en la segunda teoría de campo. Hoy se cree que las otras dos interacciones, nuclear fuerte y débil, también pueden ser descritas por teorías de campo.

Con el desarrollo de la mecánica cuántica, en las décadas de 1930 y 1940 surgieron ciertas dificultades en relación con las teorías de campo, dificultades relacionadas con los campos extremadamente intensos que deben existir en las inmediaciones de una partícula; se denominaron dificultades de divergencia. Estos problemas fueron eliminados en parte por un método llamado renormalización, desarrollado en los años 1947-1949 por el físico japonés Shin’ichirō Tomonaga, los estadounidenses Julian S. Schwinger y Richard Feynman y el físico estadounidense de origen británico Freeman Dyson. Los métodos de renormalización mostraron que las dificultades de divergencia pueden aislarse y eliminarse de forma sistemática. Este proyecto logró grandes éxitos prácticos, pero la base de la teoría de campo sigue siendo poco satisfactoria.

6.1

Unificación de las teorías de campo

Sheldon Lee Glashow

El físico estadounidense Sheldon Lee Glashow fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1979 por el desarrollo de una teoría que unificaba las interacciones electromagnética y nuclear débil.

Los cuatro tipos de interacción son muy distintos entre sí. El esfuerzo para unificarlos en un único todo conceptual fue iniciado por Albert Einstein antes de 1920. En 1979, los físicos estadounidenses Sheldon Glashow y Steven Weinberg y el físico paquistaní Abdus Salam compartieron el Premio Nobel de Física por su trabajo en un modelo que unificaba con éxito las teorías de las interacciones electromagnética y débil. Esto se logró empleando una teoría matemática conocida como simetría de gauge que fue desarrollada por el matemático alemán Hermann Weyl, el antes citado Yang y el físico estadounidense Robert Laurence Mills, así como los conceptos de simetría rota desarrollados por el físico estadounidense de origen japonés Yoichiro Nambu, el físico británico Peter W. Higgs y otros (véase Campo de Higgs). Una contribución muy importante a estos avances se debió al físico holandés Gerardus ‘t Hooft, que impulsó el proyecto de renormalización para estas teorías. El panorama conceptual que ha surgido de estos esfuerzos se denomina modelo estándar. De acuerdo con este modelo, los hadrones están formados por parejas o tríos de quarks, e interaccionan intercambiando partículas portadoras de la interacción fuerte, llamadas gluones. Los leptones son una familia distinta de partículas entre las que figuran los electrones y los neutrinos, e interaccionan a través de la fuerza nuclear débil, transmitida por las llamadas partículas W y Z.

6.2

Perspectivas de futuro

Ahora se sabe que las propiedades de todas las interacciones vienen dictadas por distintas formas de simetría de gauge (véase Simetría). Esta idea la utilizó por primera vez Einstein en la búsqueda de una teoría de la gravitación que fuera simétrica con respecto a transformaciones de coordenadas, búsqueda que culminó en la teoría de la relatividad general en 1916. El uso de estas ideas será con toda seguridad una característica importante en la física de partículas de los próximos años. Ya se ha intentado —con las teorías de la supersimetría y la supergravedad— una ampliación cualitativa del concepto de simetría de gauge para tratar de unificar todas las interacciones. No cabe duda de que estos avances continuarán.

El objetivo último es comprender la estructura fundamental de la materia a partir de unos principios de simetría unificados. Desgraciadamente, no es probable que se alcance esta meta en un futuro cercano, ya que existen muchas dificultades de tipo teórico y experimental. En el aspecto teórico, las complejidades matemáticas de la teoría cuántica de gauge son muy grandes. En el aspecto experimental, el estudio de la estructura de partículas elementales de dimensiones cada vez más pequeñas exige aceleradores y detectores de partículas cada vez mayores. Los recursos humanos y financieros necesarios para seguir avanzando son tan tremendos que el ritmo del avance decrecerá inevitablemente.