En el 2005, el mundo celebró el año internacional de la física. En parte, esta celebración conmemoró el centenario de lo que fue conocido como el ‘milagroso año’ de Albert Einstein, 1905, cuando publicó cuatro publicaciones innovadoras que fueron una parte clave en la fundación de la física moderna. También honró descubrimientos trascendentales en la física del siglo pasado, incluyendo el desarrollo de la mecánica cuántica y el exitoso análisis de lo que se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas elementales (Avances que nos han llevado a nuevos entendimientos de la naturaleza y a tecnologías que han influido profundamente en nuestras vidas).
En las ciencias en general, el intervalo comprendido entre 1905 y 2005 podría ser considerado (Eventualmente) como el ‘siglo milagroso’. El gran entendimiento de los constituyentes y propiedades de los materiales resulto en una serie sin precedentes de nuevos productos y procesos industriales. El descubrimiento de la estructura y función del ADN profundizó nuestro entendimiento de la herencia genética y desarrollo humano, además, le otorgó a los investigadores la capacidad de alterar el material genético de los organismos vivos. El descubrimiento de la tectónica de placas contribuyó a tener una nueva visión de la Tierra, como un sistema integrado física y biológicamente en el cual los seres humanos estamos desempeñando un papel creciente. En breve, los avances a lo largo de las ciencias durante el siglo veinte revelaron muchos secretos de la naturaleza y cambio radicalmente nuestra forma de ver el mundo.
En física particularmente, fueron avances sin precedentes. Una de las mencionadas publicaciones de Einstein describe la Teoría especial de la relatividad, la cual explicó que los objetos masivos en movimiento que se acercan a la velocidad de la luz, ralentizan el tiempo y los objetos tienden a aplanarse. En 1916, Einstein publicó su Teoría general de la relatividad, mostrando que la masa curva la estructura del espacio y el tiempo, que al acelerar los objetos, estos emiten ondas gravitatorias y que el tiempo se ralentiza en un campo gravitatorio. En las décadas de 1920 y 1930, los físicos desarrollaron un conjunto de ideas conocidas como mecánica cuántica para explicar el comportamiento del mundo subatómico; esas revelaciones fundamentales contribuyeron a algunos de las más importantes tecnologías del siglo veinte, incluyendo los semiconductores que han hecho posible la proliferación de los dispositivos electrónicos modernos. También, en este mismo periodo de tiempo, los astrónomos obtuvieron evidencia que indica que el Universo está en expansión, lo cual sugiere que toda la materia fue creada en un evento conocido como el ‘Big Bang’ (Gran Explosión), el cual tomó lugar hace más de trece mil millones de años. Los estudios de los materiales revelaron nuevos fenómenos como la superconductividad, la fisión nuclear y la emisión coherente de luz (La cual llevó al desarrollo del láser). Estas asombrosas revelaciones en la naturaleza del mundo físico crearon nuevos campos en la física (Tales como la física nuclear, la física de materia condensada y la física de partículas), generó conocimiento que encontró aplicaciones a lo largo de las ciencias y la tecnología y creó una base para el entendimiento que ayudó a ‘reconstruir’ nuestro mundo.
El campo de la física de partículas elementales (O simplemente, física de partículas, el cual es el término utilizado con más frecuencia) tomó forma en la primera mitad del siglo veinte cuando los físicos comenzaron a estudiar los constituyentes fundamentales de la materia y sus interacciones. Tanto la teoría como la experimentación han sido críticos para los avances de este campo. Por ejemplo, a principios del siglo veinte, ciertos experimentos desconcertantes encausaron a los físicos en la búsqueda de nuevas explicaciones de las leyes de la naturaleza. Esta búsqueda llevó a Einstein a desarrollar nuevas y asombrosas teorías del espacio, el tiempo y la gravedad, así como al igualmente revolucionario desarrollo de la mecánica cuántica por físicos como Max Planck, Niels Böhr, Werner Heisenberg, Max Born y Erwin Schrödinger. La segunda mitad del siglo pasado fue testigo de un florecimiento de la física de partículas, con experimentos que evaluaron esas hipótesis e inspiraron nuevas. Muchos de esos experimentos involucraron aceleradores de partículas, los cuales convierten materia en energía y viceversa, tal como lo describe la ecuación de Einstein E=mc2. En las décadas recientes, los experimentos de los aceleradores han proporcionado un enorme compromiso que involucra a miles de científicos e ingenieros, además de contribuciones financieras de diversos países alrededor del mundo. Además, una gama mucho más pequeña y menos cara, (Pero altamente valiosa) de experimentos ha medido las propiedades especiales de las partículas y sus interacciones particulares. Más recientemente, la información astronómica de los satélites y de las instalaciones en tierra ha generado información extremadamente útil para la física de partículas. El naciente campo de la astrofísica de partículas trajo consigo una apreciación más profunda de la conexión fundamental entre el estudio de las partículas elementales y fenómenos astronómicos tales como núcleos galáctico activos, agujeros negros, pulsares y la evolución total del Universo.
Durante la serie de experimentos y observaciones se extiende el paraguas de la teoría. Los físicos teóricos buscan construir un edificio coherente intelectual que pueda abarcar y explicar que han visto, utilizando el poder de las matemáticas para hacer sus ideas precisas y lógicamente consistentes. De esos modelos teóricos emergen predicciones que ayuden a definir los experimentos críticos necesarios para evaluar la estructura actual y extender el entendimiento actual a nuevos fenómenos.
Esta interacción constante en tiempo real entre la teoría y la experimentación ha producido un progreso sorprendente. En la primera mitad del siglo veinte, los físicos aprendieron que toda la materia en nuestro planeta está construida de partículas subatómicas conocidas como electrones, protones y neutrones. En la segunda mitad, descubrieron que los protones y neutrones están compuestos de otras partículas fundamentales conocidas como quarks, y los quarks y los electrones constituyen toda la materia actual, incluyendo a las familias pesadas y partículas raras. Aprendieron que esas partículas interactúan a través de cuatro fuerzas: Gravedad, Electromagnetismo y quizá las menos familiares, las conocidas como fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil. Desarrollaron una estructura teórica conocida como el Modelo Estándar, el cual describe y predice el comportamiento de las partículas elementales con niveles de precisión extremadamente altos. El desarrollo y análisis extraordinariamente preciso del Modelo Estándar han estado entre los mayores logros de la ciencia del siglo veinte.
Sin embargo, existe evidencia considerable que sugiere que los avances del siglo pasado están lejos de ser el fin de la historia, y que han sentado las bases para una nueva era de progreso igualmente emocionante. Los resultados de la teoría y experimentación sugieren que en las próximas décadas se producirá información que pueda ayudar a contestar algunas de las preguntas científicas básicas: ¿Por qué las partículas tienen masa? ¿Cuál es la relación de las partículas observadas en la naturaleza? ¿Cómo se explica la estructura y evolución del Universo y cuál es su futuro?
Estas preguntas ya están listas para una nueva fase de investigación por una gran variedad de razones. Por décadas, los físicos han tenido razones sólidas para pensar que los grandes descubrimientos esperan experimentos que puedan conducir a lo que se conoce como Teraescala (TeV = 1012 eV). Esto es, un billón de electrón volts de energía que pueden ser impartidos a las partículas en los más poderosos aceleradores disponibles. Tomará más de 75 años desarrollar la tecnología necesaria para construir aceleradores que puedan abrir esta nueva frontera. Finalmente, las instalaciones experimentales que se han construido recientemente traerán la teraescala a nuestro alcance. Otros experimentos examinan la alta energía de los rayos cósmicos generado en el Universo distante o neutrinos generado por fusión solar, estos experimentos también prometen complementar en formas muy valiosas en extremo la información generada por los aceleradores.
Referencias:
Ian C. Brock
Electroweak Physics at the LHC (Theory)
Ansgar Denner
Non-Equilibrium Dynamics and Physics of the Terascale Sector
Ervin Goldfain
Helmholtz Alliance Website
Jack Gunion
ARC Centre of Excellence for Particle Physics at the Terascele Website
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