LA FÍSICA DE PARTÍCULAS Y LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES

CONTENIDOS

• Introducción histórica
• Clasificación de las partículas subatómicas
• Teoría de los quarks
• Interacciones fundamentales en la naturaleza
• Interacciones y partículas
• Teorías de unificación
• Hipervínculos

Vista interna de un acelerador de partículas

• Introducción histórica.

El interés por descubrir la constitución interna de la materia se remonta a los filósofos griegos. De entre ellos, los primeros que creyeron en una organización interna fueron Leucipo y Demócrito, que postularon una estructura basada en la existencia de átomos ("sin partes" en griego). La hipótesis de de estos filósofos se abandonó hasta que a principios del siglo XIX fue recuperada por John Dalton, con el establecimiento de su teoría atómica. En ella Dalton postulaba que la materia estaba formada por partículas pequeñas denominadas átomos, que éstas eran indivisibles e indestructibles, que todos los átomos de un elemento eran iguales entre sí y diferentes de los átomos de los demás elementos y que los átomos se unían entre sí para formar compuestos químicos.

Con el desarrollo de la electricidad en el siglo XIX se vio que era imposible admitir que los átomos fuesen las partículas últimas de la materia. Así, el estudio de las descargas eléctricas en gases, y en particular sobre los rayos catódicos, llevó a J.J. Thomson en 1897 a descubrir el electrón (partícula con carga negativa) y medir su relación carga/masa. El propio Thomson propuso un modelo atómico que incluía la presencia del electrón dentro del átomo. Al mismo tiempo que Thomson realizaba sus estudios sobre el electrón Eugen Goldstein descubre los denominados rayos canales (con carga positiva) y posteriormente Rutherford propone denominar protón a la partícula positiva generada a partir del hidrógeno, con lo que se completaba la existencia de dos partículas fundamentales cada una con un tipo de carga. El protón tenía la misma carga del electrón y una masa mucho mayor. Rutherford propone un modelo atómico nuclear, con una zona central denominada núcleo, que contiene la carga positiva y la casi totalidad de la masa del átomo y una corteza orbital, en la que se encuentran los electrones. Fija el tamaño del núcleo como más de 10.000 veces el del átomo. También, a principios del siglo XX se postula la existencia del neutrón, ligeramente más masivo que el protón y desprovisto de carga eléctrica. Su existencia fue confirmada en 1932.

A comienzos del siglo XX, el desarrollo del modelo atómico de Rutherford, coloca a los protones y neutrones en el núcleo del átomo y a los electrones en su corteza.

Las investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico llevan a Einstein a formular su teoría corpuscular de la luz y predecir la existencia del fotón, que sería una partícula sin masa ni carga eléctrica.

Así pues, hasta 1932 podía explicarse la constitución de la materia sólo con cuatro partículas elementales: el electrón, el protón, el neutrón y el fotón. Sin embargo, pronto se comprobó que el número de partículas elementales era mucho mayor.

Investigando sobre una hipótesis de Paul Dirac, se descubrió en ese año el positrón por Carl Anderson. Es esta una partícula con la misma masa que el electrón y el mismo valor absoluto de carga, sólo que positiva (e⁺) . También se denomina antielectrón.

Otra partícula descubierta a principio de los años treinta del pasado siglo fue el neutrino, que ya había sido postulado por W. Pauli, para poder explicar una aparente violación en el principio de conservación del principio de conservación de la energía cuando se producía una desintegración b. Fue detectado en 1956 por un equipo de físicos de la universidad de Berkeley, entre los cuales se encontraban Segre y Chamberlain, que posteriormente fueron galardonados con el premio Nobel por su descubrimiento.

En 1935 Hideki Yukawa propone la existencia de una partícula para explicar las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Esta partícula se denominó mesón, ya que tenía una masa intermedia entre la del protón y la del electrón (unas 200 veces la masa de éste). Actualmente esta partícula se denomina pión o mesón p y se detectó por primera vez en la radiación cósmica que llega a la Tierra (1947).

En 1937 se descubre el muón, una partícula con la misma carga que el electrón, pero con una masa de una 200 veces la de éste.

A partir de 1940 se descubrieron cientos de partículas elementales y además las correspondientes antipartículas, idénticas en masa y vida media, pero con carga opuesta. Esta proliferanción de partículas hizo que los físicos desarrollasen unos criterios para clasificarlas y llegar a comprender tanto la estructura interna de la materia como la naturaleza de las interacciones que existen entre ellas.

• Clasificación de las partículas subatómicas.

Actualmente hay dos criterios básicos para la clasificación de partículas subatómicas: según el valor de su spin y según su estructura.

• Clasificación según el valor de su spin

Según el valor de su spin las partículas se clasifican en:

Bosones, que son partículas con spin entero (s = 0, 1, 2, ...), por lo que no puede aplicárseles el principio de exclusión de Pauli. Esto quiere decir que pueden existir muchos bosones que se encuentren en el mismo estado cuántico. Son bosones el fotón (g), cuyo spin es cero, los bosones vectoriales W⁺ ,W^- y Z⁰, con spin 1.

Fermiones, que son partículas con spin semientero (s = 1/2, 3/2, ...)que cumplen el principio de exclusión de Pauli, por lo que no pueden existir dos fermiones en el mismo estado cuántico. El electrón, el protón y el neutrón son ejemplos típicos de fermiones.

• Clasificación según su estructura interna

Atendiendo a la estructura interna se clasifican en:

Leptones: Los leptones son auténticas partículas elementales , lo que quiere decir que carecen de estructura interna. Atendiendo a su spin son fermiones. Hay seis leptones: el electrón (e^-), el muón (m^-), el tauón (t^-), el neutrino electrónico (n_e), el neutrino muónico (n_m) y el neutrino tauónico (n_t). De ellos sólo el electrón y los neutrinos son estables, mientras que el muón y el tauón son partículas inestables, cuyas vidas medias son muy pequeñas, y que se desintegran en electrones y neutrinos.

 

CARACTERÍSTICAS DE LOS LEPTONES
NOMBRE	SÍMBOLO	MASA	CARGA	SPIN	ANTIPARTÍCULA
Electrón	e-	0'51	-1	1/2	e+
Muón	m-	106	-1	1/2	m+
Tauón	t-	1800	-1	1/2	t+
Neutrino electrónico	ne	0	0	1/2
Neutrino muónico	nm	0	0	1/2
Neutrino tauónico	nt	0	0	1/2

A los leptones se les asigna un número leptónico (L) de valor igual a 1, mientras que a los antileptones se les asigna un número leptónico igual a -1. Las restantes partículas elementales tienen número leptónico igual a cero. En cualquier transformación nuclear debe conservarse el número leptónico.

En la tabla anterior los valores de masa vienen dados en MeV/c², y se refieren a la masa en reposo; los de la carga en múltiplos de la carga de electrón (1'6 · 10^-19 C) y los del spin en unidades h/2p (1'06 · 10^-34 Js).

La comprobación de la existencia de los tres tipos de neutrinos culminó en el año 2000 cuando un equipo de científicos del Fermilab, uno de los laboratorios de partículas más importantes del mundo, comprobó la existencia del neutrino tauónico. Hasta la década de 1960 sólo se habían identificado los otros dos tipos de neutrinos. El Modelo Estándar para clasificar las partículas elementales requería la existencia de un tercer tipo de neutrino, el neutrino tau, como se demostró teóricamente en 1989. Actualmente se trabaja en la determinación de la masa de los neutrinos, así como en la mejora de su detección, ya que en su estudio puede estar una de las claves del conocimiento de la actividad estelar.

 

Hadrones: Los hadrones no son en realidad partículas elementales, ya que tienen una estructura interna y pueden desintegrarse dando como productos otras partículas. Los podemos clasificar en dos tipos:

 

Mesones que son bosones (spin entero) e incluyen a los piones. Cuando se desintegran dan leptones y fotones.

Bariones que son fermiones (spin semientero) e incluyen, entre otras partículas, a los protones y los neutrones.

A los bariones se les asigna como característica un valor, denominado número bariónico (B), análogo al número leptónico, de valor 1 para los bariones y -1 para los antibariones; las restantes partículas tienen número bariónico cero. En una transformación debe conservarse el número bariónico.

Dentro de los bariones, a los protones y neutrones se les denomina nucleones, por su presencia en el núcleo atómico, mientras que a los demás se les denomina hiperones.

Excepto el protón y el neutrón, los hadrones tienen una vida media muy pequeña y son difíciles de detectar y estudiar en el laboratorio. Así, mientras que se cree que el protón es estable, la vida media de la partícula lambda es aproximadamente 10^-10 segundos. Veamos algunas características de algunos hadrones:

CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS HADRONES
NOMBRE	SÍMBOLO	MASA	CARGA	SPIN	L	B	ANTIPARTÍCULA
Protón	p	938'28	+1	1/2	0	1
Neutrón	n	939'57	0	1/2	0	1
Partícula Lambda	Lo	1115'6	0	1/2	0	1
Partícula Sigma +	S+	1189'4	+1	1/2	0	1	S-
Partícula Sigma 0	S0	1192'5	0	1/2	0	1	S0
Partícula Sigma -	S-	1197'3	-1	1/2	0	1	S+
Partícula Xi 0	X0	1314'7	0	1/2	0	1	X0
Partícula Xi -	X-	1321'3	-1	1/2	0	1	X+
Partícula Omega -	W-	1672'2	-1	3/2	0	1	W+
Pión negativo	p-	140	-1	0	0	1	p+
Pión neutro	po	135	0	0	0	1	po
Pión positivo	p+	140	+1	0	0	1	p-

En la tabla anterior los valores de masa vienen dados en MeV/c², y se refieren a la masa en reposo; los de la carga en múltiplos de la carga de electrón (1'6 · 10^-19 C) y los del spin en unidades h/2p (1'06 · 10^-34 Js).

• Teoría de los quarks

Como acabamos de ver, los hadrones no se pueden considerar partículas elementales, ya que tienen una estructura interna y pueden desintegrarse convirtiéndose en otras partículas. Ahora surge la pregunta: ¿de qué están compuestos los hadrones?

En 1964 Murray Gell-Mann y Georges Zweig propusieron una teoría para explicar la constitución interna de los hadrones: la teoría de los quarks. Según esta teoría los hadrones están compuestos de otras partículas elementales, que denominaron quarks (al parecer por influencia de un párrafo de la de James Joyce , Finnegan's Walk).

Los quarks propuestos presentan propiedades peculiares; en espacial, con relación a la carga del protón, tienen carga fraccionaria. Además, retomando la simetría partícula/antipartícula se encontró que a cada quark le correspondía su antiquark.

Inicialmente Gell-Mann y Zweig propusieron un modelo de tres quark y sus correspondientes antipartículas, pero posteriormente se ha ampliado a seis quarks y seis antiquarks. Cada tipo de quark se denomina sabor. Hay pues seis "sabores" de quarks. Toda partícula conocida se podía describir como una combianción de quarks y antiquarks. La tabla siguiente presenta las características más importantes de los quarks.

En la tabla anterior los valores de masa vienen dados en MeV/c², y se refieren a la masa en reposo; los de la carga en múltiplos de la carga de electrón (1'6 · 10^-19 C) y los del spin en unidades h/2p (1'06 · 10^-34 Js).

Los quarks están fuertemente ligados entre sí y confinados dentro de los hadrones y no se han logrado aislar, aunque si se han detectado indicios de su existencia mediante aceleradores de partículas de muy alta energía.

Hay pues doce partículas elementales constituyentes de la materia: seis leptones y seis quarks. Además existen sus correspondientes antipartículas, con lo que en total tendríamos veinticuatro. Todos los hadrones son combinaciones de quarks. Los mesones estarían formados por un quark y un antiquark, mientras que los bariones están formados por la combinación de tres quarks.

En la materia ordinaria sólo hay cuatro partículas: dos leptones (el electrón y el neutrino electrónico) y dos quarks (u y d). Las demás partículas sólo se observan en la radiación cósmica que alcanza la Tierra o en un laboratorio de alta energía.

Los quarks tienen además otras propiedades interesantes, aunque de muy difícil explicación y a las que se les ha denominado con nombre tan originales como belleza, color, encanto. Así la propiedad color tiene que ver con la fuerza que mantiene unidos a los nucleones. Hay tres variedades de color de quarks, rojo verde y azul. Cuando tres quarks se combinan para formar un barión, cada uno de ellos debe tener un color diferente para que los tres nos dé el color blanco. Evidentemente esto no tiene nada que ver con los colores naturales, y se ha denominado así metafóricamente; lo que significa es que la combinación de esa propiedad de los quarks debe ser nula.

En cualquier transformación o interacción entre partículas deben conservarse la carga, el número leptónico, el número bariónico, la estrañeza, el encanto y el spin.

• Interacciones fundamentales en la naturaleza

Todos los fenómenos que se producen en el Universo se deben a las interacciones entre las partículas que lo componen. Estas interacciones se describen mediante el concepto de fuerza. Así, la caída de un objeto o la "caída" de la Luna hacia la Tierra se describe mediante la fuerza gravitatoria. La estructura de un objeto, la atracción entre imanes o entre cargas eléctricas se hace mediante la fuerza electromagnética. Desde el principio los científicos han tratado de unificar y simplificar el origen de los fenómenos, intentando adjudicar todos ellos a unas pocas causas comunes y a unos tipos fundamentales de comportamiento. Así, como ya hemos estudiado, James C. Maxwell unificó las fuerzas eléctrica y magnética en un único tipo de interacción, la interacción electromagnética, que permitía explicar todos los fenómenos conocidos en su momento sobre los campos de la electricidad y el magnetismo.

En la actualidad, todas las fuerzas o interacciones de la naturaleza se pueden agrupar en cuatro tipos básicos, denominados interacciones fundamentales:

• Interacción gravitatoria. Se da entre todas las partículas y se describe mediante la teoría de la relatividad general de A. Einstein o más fácilmente mediante la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Gracias a ella se pueden explicar fenómenos como la caída de los cuerpos o el movimiento de los planetas, satélites, estrellas, cometas, etc. Su alcance es infinito y actúa a grandes distancias. Es la interacción más débil de todas, pero es la responsable de la estructura general del Universo. Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.

• Interacción electromagnética. La interacción electromagnética afecta a las partículas con carga eléctrica o con momento magnético, así como a los fotones. Su descripción se hace a partir de las leyes de Maxwell y su alcance es infinito. Gracias a ella se pueden explicar fenómenos tan diversos como los eléctricos, los magnéticos, la interacción entre la luz y la materia, las ondas electromagnéticas (¿cómo funciona un teléfono móvil?), las fuerzas elásticas que se dan en un muelle, la estructura interna de la materia a escala atómica y molecular, así como la química. Es una interacción inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.

La interacción electromagnética explica la estructura cristalina

• Interacción nuclear fuerte. La interacción nuclear fuerte afecta a los quarks, y por tanto, a los hadrones. Es la más intensa de las cuatro y se denomina también interacción fuerte o interacción hadrónica. Su alcance es muy corto, reduciéndose prácticamente a cero para distancias superiores a 10^-15 m, por lo que no tiene influencia en la Química, por ejemplo. Gracias a esta interacción se puede explicar la estabilidad nuclear y muchos procesos nucleares.

• Interacción nuclear débil. La interacción nuclear débil se produce entre partículas leptónicas o hadrónicas. Explica algunos procesos nucleares, como la desintegración b de los núcleos, en la que un neutrón se transforma en un protón y un electrón, generándose también un antineutrino electrónico. También explica las transformaciones entre leptones, como la desintegración del tauón. Su intensidad es mucho mayor que la fuerza gravitatoria, pero es menor que la fuerza electromagnética. También se denomina interacción débil.

Esquema de una emisión beta

• Interacciones y partículas

Cuando se aplican los principios de la Física cuántica al estudio de las partículas subatómicas se explica la interacción entre dos partículas por el intercambio de una tercera, que recibe el nombre de partícula de campo o bosones gauge. Es esta partícula la que origina la fuerza o interacción entre las dos partículas materiales. Esta idea de transmisión de la fuerza mediante una partícula inermedia se debe a Hideki Yukawa, que en 1934 propuso la existencia de una partícula, el mesón p o pión, para describir la interacción entre los nucleones. Según esta hipótesis, cada nucleón está emitiendo y reabsorbiendo continuamente piones virtuales, los cuales lo rodean como un enjambre. Cuando están cerca, dos nucleones intercambian un pión. La transferencia de momento lineal produce un efecto de fuerza.

Los nucleones emisores no pierden masa, luego a los piones virtuales sólo se les permite su breve existencia por el principio de incertidumbre. Para crear "piones reales", la masa que se pierde se debe suministrar por la energía de un choque.

Actualmente se denominan gluones a las partículas intermedias responsables de la interacción fuerte. En el siguiente esquema se muestra como un quark u rojo se convierte en un quark u azul y viceversa, mediante un gluón intermedio; mediante este proceso se explica la interacción fuerte.

Se cree que todas las fuerzas fundamentales son transportadas por partículas de intercambio. El fotón es la partícula intermediaria de las fuerzas electromagnéticas; la fuerza entre dos partículas cargadas se produce por intercambio de fotones entre ellas. Así, los electrones se repelen unos a otros intercambiando fotones virtuales. Este proceso se puede representar utilizando un diagrama de Feynman, como el siguiente. Para que existan fotones "reales" se debe suministrar energía.

En el caso de la interacción débil las partículas intermediarias son los denominados bosones vectoriales W^-, W⁺ y Z⁰, detectados por primera vez en el CERN, por Carlo Rubbia y Simon Van der Meer en 1983. El esquema siguiente representa una desintegración b: un quark d setransforma en un quark u, emitiendo un bosón vectorial W^-, el cual se desintegra en un par electrón y antineutrino (para conservar el número leptónico).

Explicación de una desintegración b mediante un bosón vectorial W^-

En el caso de la atracción gravitatoria la partícula mediadora sería el gravitón, pero no existen evidencias concluyentes de su existencia y su existencia sólo es una hipótesis de trabajo.

La siguiente tabla es un resumen de todo lo anterior.

Las partículas que constituyen la materia son fermiones, no hay dos en el mismo estado energético, mientras que las que transmiten la fuerza son bosones, pueden estar en el mismo estado energético.

En definitiva, hay doce partículas elementales, que sufren diferentes interacciones, como podemos ver en la siguiente tabla:

Como ya hemos indicado, cada una de las doce partículas anteriores tiene su correspondiente antipartícula.

• Teorías de unificación de fuerzas fundamentales

Desde el comienzo del tema hemos tratado de desarrollar la idea de que desde la antigüedad el hombre ha intentado encontrar una hipótesis o una teoría fundamental que fuese capaz de explicar todos los fenómenos naturales. Esta teoría unificada de la materia debería dar cuenta de su constitución, propiedades e interacciones entre sus componentes.

Se puede decir que el primer paso en este sentido lo dió Isaac Newton con su teoría de la gravitación universal, ya que era capaz de explicar cuestiones tan dispares en principio como el movimiento de los planetas, la caída de los cuerpos, el flujo de las mareas, el movimiento de proyectiles, etc.

En el siglo XIX James C. Maxwell desarrolló su síntesis electromagnética, que explicaba fenómenos que parecían independientes, como los fenómenos eléctricos, los magnéticos y la interacción de la luz con la materia, demostrando que la luz es una onda electromagnética, con los que se englobaba la óptica y el electromagnetismo.

Existen suficientes indicios que hacen pensar a los físicos que la interacción electromagnética y la débil no son sino manifestaciones de un único tipo de interacción, denominada interacción electrodébil, que se manifestaría a altas energías. A bajas energías ambas interacciones parecen estar separadas. S Glashow, A. Salam y S. Weimberg recibieron el premio Nobel en 1979 por su teoría de la unificación electrodébil. Las partículas de esta interacción son los bosones vectoriales; por su descubrimiento recibieron el premio Nobel en 1984 Carlo Rubbia y Simon Van der Meer. La imagen de la derecha nos muestra la extensión de los anillos de CERN.

Actualmente se trabaja en una teoría de gran unificación, que englobaría a las interacciones electrodébil y fuerte en una única interacción. Hay indicios de que en un futuro será posible. Yquedaría por integrar la gravedad, que es una fuerza al parecer tan diferente que no se sabe muy bien su encaje. Antes habría que desarrollar una teoría cuántica de la gravedad, pero esto aún queda muy lejano.

• Hipervínculos

Tenéis aquí una serie de enlaces a algunas páginas web en la que podéis encontrar información más detallada sobre el tema. Hay muchísimas más, pero estas son muy interesantes.

En esta página podéis acceder a la historia de la Física de partículas:

http://particleadventure.org/particleadventure/spanish/history/mains.html

Esta es la página inicial de la anterior desde donde podéis acceder a experimentos y teorías sobre la Física de partículas y las interacciones fundamentales:

http://particleadventure.org/particleadventure/spanish/index.html

Una de las páginas más interesantes sobre los contenidos del tema es:

http://www.mipagina.cantv.net/aquilesr/universo_subatomico.htm

Página análoga a la anterior, con una explicación de la teoría de cuerdas y supercuerdas:

http://www.astroscu.unam.mx/Divulgacion/HIPERCURSO/FISICA/PART/particulas-fuerzas.html

Otra página muy interesante sobre la Física de partículas y el CERN, aunque hecha, como las anteriores, para profesores, tiene también mucho interés para los alumnos:

http://palmera.cnice.mecd.es/~fbarrada/mapa.html

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