¿Qué Propiedades de las Partículas Revelan la Naturaleza y Origen de la Materia y las Propiedades del Espacio y el Tiempo? Parte 1 de 2

El pensamiento de que la física de partículas se enfoca en las partículas fundamentales del universo, involucra más allá que solo desarrollar una taxonomía de fenómenos ‘esotéricos’ estudiados en aceleradores de laboratorio. La búsqueda fundamental de la física de partículas ha sido entendida en cómo las propiedades de las partículas y sus interacciones han influenciado (Y viceversa, han sido influenciadas por) la evolución del cosmos. 

A principios del siglo veinte, el electrón, el cual se acababa de descubrir, era la única partícula conocida de las que hoy consideramos como elementales. Pero los fenómenos descubiertos de la radioactividad atómica les otorgo el primer acceso a los físicos a ese tipo de partículas que, con los estándares actuales, se consideran de alta energía (La energía de una partícula emitida por un átomo radioactivo es casi un millón de veces más grande que la de un electrón que viene de una batería, y es millones de veces más pequeña que la energía más alta alcanzad en los modernos aceleradores de partículas). Con haces de partículas de fuentes radioactivas naturales, los físicos lograron hacer una gran cantidad de descubrimientos. El núcleo atómico, el protón y el neutrón, fueron descubiertos de esta manera, y la existencia del neutrino fue inferida de los estudios de la radioactividad atómica.

En 1912, se descubrió una nueva fuente de partículas de origen natural: La Tierra es bombardeada constantemente con rayos cósmicos del espacio. Además de otorgarle a los físicos una nueva y fascinante ventana con la cual explorar el Universo, los rayos cósmicos hicieron posibles descubrimientos fundamentales acerca de la naturaleza, principalmente debido a que los rayos cósmicos tienen energías más altas que las partículas emitidas por los átomos radioactivos. La primera partícula de antimateria, el positrón (El cual es la antipartícula del electrón) fue descubierta en los rayos cósmicos en 1932. Otras partículas importantes, incluyendo el muón, el pión y las primeras partículas extrañas, fueron descubiertos en los rayos cósmicos en las décadas de 1940 y 1950.

Para entonces fue claro que muchas sorpresas acechaban en el mundo subatómico. A principios de la década de 1950, los aceleradores de partículas hicieron posible alcanzar la combinación de alta energía y precisión, la cual no puede ser alcanzada con las fuentes naturales de partículas. Los primeros resultados trajeron caos en esa década y en la posterior, dado que los aceleradores descubrieron cientos de nuevos tipos de partículas que experimentaron la fuerza nuclear fuerte que mantiene unido el núcleo atómico. Todas esas partículas son ‘parientes’ de los protones y neutrones, los cuales constituyen el núcleo atómico.

El Modelo Estándar, que emergió a principios de la década de 1970, trajo algo de orden a ese caos. De acuerdo al Modelo Estándar, las múltiples partículas surgen combinando en diferentes formas un número pequeño de entidades fundamentales llamadas quarks. La fuerza nuclear fuerte la cual es mediada por partículas conocidas como gluones, se une a los quarks para formar los protones, neutrones y otras partículas interactuando fuertemente. En el interior del núcleo atómico, la fuerza nuclear fuerte surge como consecuencia de los quarks y los gluones en la interacción de un protón o neutrón interactuando entre ellos. La existencia de los quarks fue confirmada en los experimentos de dispersión de electrones en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) y en los experimentos de dispersión de neutrones en el CERN, a principios de la década de 1970. La partícula gluón que se une a los quarks fue descubierta en el Deutsches Elektronen-Synchrotron Laboratory (DESY) en Alemania, en 1979.

La reinterpretación de las múltiples partículas producidas en los aceleradores en términos de quarks y gluones nos da una explicación simple de cómo trabaja la naturaleza. También nos proporciona un nuevo enfoque para pensar acerca de la unificación de las fuerzas de la naturaleza. Los quarks obedecen de forma similar a las ecuaciones que obedecen los electrones, y los gluones obedecen de forma similar a las ecuaciones que obedecen los fotones o las ondas luminosas. La analogía fue mejorada cuando el CERN descubrió en 1983 las partículas W y Z, las cuales son responsables de la fuerza nuclear débil y obedecen a la misma tipo de ecuaciones que los gluones o fotones. En el DESY en la década de 1990, se midieron las propiedades de la fuerza nuclear fuerte y los números y distribución de energía de los quarks y gluones en protones de alta velocidad; estos resultados han sido importantes aportaciones a las expectativas de los físicos del LHC. Una vez más, nuevos descubrimientos en altas energías mostraron que en un nivel fundamental, las diferentes fuerzas son muy similares, dando a los físicos, nuevas bases para unificar las leyes de la naturaleza.

El Modelo Estándar además reduce la complejidad observada de partículas organizando quarks y leptones (De los cuales, el más familiar es el electrón) en tres “generaciones”. La primera generación contiene las partículas que constituyen los átomos ordinarios (Los quarks y los electrones, junto con una entidad más elusiva llamada neutrino). Los neutrinos son creados en el decaimiento radioactivo de ciertos tipos de núcleos. Los neutrinos interactúan muy débilmente con la materia, tanto que cuando se realizó la hipótesis de su existencia en la década de 1930, los físicos pensaron que serían indetectables. La invención de los reactores nucleares cambió la situación dado que volvieron disponibles fuentes intensas de electrones antineutrinos, llevando a la detección del neutrino en 1955.

Una generación de partículas sería suficiente para la creación de materia ordinaria. Extrañamente, la naturaleza se repite a sí misma con dos generaciones más de partículas. Estar partículas adicionales, las cuales son de corto periodo de vida, son usualmente producidas en colisiones de alta energía y detectadas por su decaimiento remanente. Mientras que están sujetas precisamente a las mismas fuerzas que la primera generación de partículas, estás decaen tan rápido que se hacen difíciles de estudiar. Pero en el Universo primitivo, parece que fueron tan importantes como las partículas de primera generación. Los físicos aún no entienden porque existe la generación de partículas, y mucho menos él porque hay tres de ellas, o bueno, eso es lo que se cree hasta el momento.

La mejor indicación de que son tres viene de los estudios de la partícula Z, la cual transporta la fuerza nuclear débil. Todos los tipos de neutrinos pueden producirse cuando la partícula Z decae, siempre que sean menos masivos que la mitad de Z. La pauta de la producción de Z y el decaimiento muestra que solo decae en tres tipos de neutrinos, y un cuarto tipo de neutrino podría existir solo si la partícula fuera muy pesada. La cantidad de helio producido en el Universo primitivo es también sensible al número de tipos de neutrinos, y las mediciones de esta abundancia son consistentes con la existencia de solo tres tipos de neutrinos ligeros. Dado que todos los tipos de neutrinos conocidos son muy ligeros, esto nos dice que no hay una cuarta generación de partículas que siga la misma pauta de los tres primeros con un neutrino demasiado ligero.

La primera generación de partículas está presente alrededor de nosotros en la materia ordinaria. Pero ¿Cómo es que nos enteramos de las otras dos generaciones? El descubrimiento de la segunda generación se dio en las décadas de 1930 y 1940, cuando el muón y los mesones (los cuales consisten de un quark y un antiquark) fueron descubiertos en los rayos cósmicos. Cuando esas partículas de alta energía provenientes del espacio, impactaron en la atmósfera, las colisiones fueron lo suficientemente energéticas para producir muchos mesones conteniendo la segunda generación de quarks extraños. Los mesones decayeron, muchos de ellos debido a un proceso de interacción débil que produce un muón y un neutrino.

Esta entrada participa en la edición XXVIII del Carnaval de Física, la cual se aloja en el blog Física, Arroz y Frijoles de Natalia

Referencias

Strange Particles – CA Randall

P615: Nuclear and Particle Physics – Niels Walet

CP Violation – I.I. Bigi & A. I. Sanda

The Standard Model: A Primer – C. P. Burgess and Guy D. Moor

Dynamics of the Standard Model – Donoghue

Elementary Particles and their interactions – Kim-Yem

Massive Neutrinos in Physics and Astrophysics – Mohapatra

Particle Physics beyond the Standard Model – D. Kasakov, S. Lavignac, J. Dalibard

The Quark-Gluon Plasma – Helmut Satz