Los sistemas nucleares (Desde el núcleo atómico de la materia en las estrellas de neutrones a la materia formada en colisiones de iones pesados ultra-relativistas) son sistemas complejos multipartículas los cuales exhiben un amplio rango de comportamientos colectivos, por ejemplo, la superfluidez. Esta faceta, compartida en común con la materia estudiada por los físicos de materia condensada, físicos atómicos, químicos cuánticos y científicos de materiales, ha abierto espléndidas oportunidades para el cruce valioso y productivo de información entre esos campos. De creciente importancia es la intersección de la física nuclear y los gases atómicos ultrafríos.

Las nubes de gases atómicos permiten a los físicos controlar las condiciones experimentales tales como las densidades de partículas y las fuerzas de interacción, un control intrínsecamente no disponible para los físicos nucleares. Este control ha inspirado a los físicos nucleares para desarrollar cuadros más unificados de material nuclear, más allá de las limitaciones de los sistemas de los laboratorios nucleares, y ver los puntos en común con los sistemas atómicos. La flexibilidad experimental de los sistemas atómicos fríos los hace ideales para explorar fases exóticas y la dinámica cuántica en estos sistemas de Fermi fuertemente vinculados.

Los plasmas de Quark-Gluón en colisiones de iones pesados ultrarelativistas son los materiales más calientes que se puedan producir en el laboratorio, con temperaturas de varios billones de grados. Por otro lado, las nubes de átomos ultrafríos atrapados son los sistemas más fríos del Universo, alcanzando temperaturas tan bajas como un mil millonésimo de grado por arriba del cero absoluto. Sin embargo, a pesar de esta diferencia de temperaturas y energías, los dos sistemas comparten conexiones físicas significativas, lo que permite la ‘fertilización cruzada’ entre la física de alta energía nuclear y la física de átomos ultrafríos. Ambos sistemas, cuando interactúan fuertemente, tienen las viscosidades más pequeñas (Comparadas con su entropía o grado de desorden) de cualquier sistema en el Universo. La transición observada en las nubes de átomos fríos fuertemente interactuando de estados superfluidos emparejados, análogos a electrones superconducidos en un metal, a estados de moléculas BEC (Condensado Bose-Einstein) consistentes de dos fermiones atómicos, capta ciertos aspectos de la transición de un plasma de Quark-Gluón a la materia hadrónica ordinaria hecha de neutrones, protones y mesones.

El emparejamiento superfluido en la interacción de baja densidad de los sistemas atómicos fermiónicos es muy similar a la vinculación en materia de neutrones de baja densidad en las estrellas de neutrones. En la imagen destacada, se observa la comparación de la energía predicha a de una nube de baja densidad de neutrones superfluidos fríos con la de fermiones atómicos fríos, ya que la densidad aumenta, y muestra como los dos sistemas se comportan en común. Aunque las escalas de energía son muy diferentes, las interacciones atractivas entre fermiones en ambos sistemas producen huecos en pares extremadamente grandes, del orden de un tercio a la mitad de la energía de Fermi, y en este sentido estos sistemas son los superfluidos de temperatura más alta conocidos. Los experimentos en átomos fríos pueden medir las energías y los huecos de emparejamiento superfluido de fermiones fríos desde el acoplamiento débil hasta el fuerte, y proporciona pruebas sensibles de las teorías utilizadas para calcular las propiedades de la materia en el exterior de las estrellas de neutrones, núcleos enriquecidos en gran proporción de neutrones, y la materia de los quarks. Estas propiedades son clave para entender los límites de la estabilidad y la vinculación de núcleos ricos en neutrones y el enfriamiento de las estrellas de neutrones.

También se pueden estudiar análogos de estados nucleares y plasma quark-gluón con átomos fríos. Ejemplos sencillos son la unión de fermiones atómicos en tres estados distintos (hiperfinos), tal como el Litio-6, de forma análoga a los quarks de tres colores de quarks, en moléculas de tres átomos, los análogos de nucleones, o la unión de bosones atómicos con fermiones atómicos en moléculas. También se pueden aprovechar las similitudes de la interacción de los tensores entre nucleones a la interacción magnética entre átomos con grandes momentos magnéticos dipolares, por ejemplo, el disprosio, para que los análogos de los estados de priones condensados propuestos en las densas estrellas de neutrones. La interacción fuerte de plasma atómico ultrafuerte también presenta oportunidades inusuales para estudiar la dinámica de la interacción fuerte de plasma quark-gluón. Otros ejemplos incluyen la formación y la interacción de los vórtices y las posibles fases superfluidas exóticas de la materia. Futuros experimentos con trampas ópticas permitirán estudiar las propiedades de la materia no homogénea que existe en la corteza de las estrellas de neutrones. Y, la interacción fuerte de las nubes de átomos con diferentes densidades de spines up y down, como puede ser diseñado en las trampas ópticas, compartir algunas características comunes con la interacción fuerte de materia quark con diferentes densidades de quarks extraños, up¸y down. En ambos contextos, los huecos de emparejamiento superfñuidos que son modulados en el espacio en un patrón periódico que lo puede desarrollar, produciendo una fase de materia superfluida y cristalina, indicios que pueden observarse en los experimentos recientes de átomos fríos.

Referencias.

The Quark-Gluon Plasma. A Short Introduction
Helmut Satz.

Physics of the quark-gluon plasma
Markus H. Thoma

Quark-Gluon Plasma. Theorical Foundations.
J. Kapusta, B. Müller, J. Rafelski

Hunting the Quark Gluon Plasma
Results from the first 3 years at RHIC

Quark-Gluon Plasma and the Early Universe
Xiangdong Ji

Superfluidity
FIRST – Quantum Information Processing Report WebSite

Argonne National Laboratory
ANL Website

TRIUMF
TRIUMF Website

Grand Accélérateur National d’Ions Lourds
GANIL Website

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Website

CERN
Website

RIKEN
Website

La materia enriquecida en neutrones es el corazón de muchas cuestiones fascinantes en la física nuclear y la astrofísica: ¿Cuáles son las fases y ecuaciones de estado de la materia nuclear y los neutrones? ¿Cuáles son las propiedades de los núcleos enriquecidos de neutrones de corta vida a través de los cuales los elementos químicos que nos rodean fueron creados? ¿Cuál es la estructura de las estrellas de neutrones y que determina sus radiaciones electromagnéticas, de neutrinos y de ondas gravitatorias?, entre otras. Para explicar la naturaleza de la materia enriquecida de neutrones a través de un rango de densidades, es esencial un enfoque interdisciplinario para integrar experimentos de laboratorio con teoría astrofísica, teoría nuclear, teoría de la materia condensada, físicos atómicos, ciencia computacional, y astronomía de ondas gravitatorias y electromagnéticas. La figura al final resume las vinculaciones en este esfuerzo interdisciplinario.

En núcleos pesados enriquecidos con neutrones, el exceso de éstos últimos predominan en la superficie nuclear, formando una capa, una región de enlaces débiles. La presencia de esta capa puede llevar a curiosas excitaciones colectivas, por ejemplo, “resonancias pigmeas”, caracterizadas por el movimiento del neutrón parcialmente desacoplado de la capa contra lo remanente en el núcleo. Tales modalidades pueden alterar secciones transversales de captura de neutrones importantes para el proceso de nucleosíntesis. Uno de los impulsores principales de la ciencia del FRIB (Facility for Rare Isotope Beams – Instalaciones para Haces de Isótopos Raros) es el estudio de un rango de núcleos con capas de neutrones varias veces más delgadas de lo posible actualmente. Los estudios de las oscilaciones nucleares de alta frecuencia (Resonancias gigantes) y las reacciones intermedias de energía nuclear nos ayudarán a precisar la ecuación de estado de la materia nuclear.

Otra percepción es proporcionada por los experimentos de dispersión de electrones. El Lead Radius Experiment (También conocido como PREx) en el Jefferson Laboratory usa una señal débil derivada de una violación de paridad por la interacción débil para medir el radio de la distribución de neutrones en plomo 208. Esta medición debería tener amplias implicaciones para los análisis de baja energía, estructura nuclear y astrofísica, del Modelo Estándar. Datos precisos del PREx podrían proporcionar restricciones en la influencia los de neutrones en las estrellas de neutrones a densidades sub-nucleares. Importantes revelaciones vendrán de los experimentos con átomos fríos Fermi que pueden ser ‘sintonizados’ para probar que los fluidos que interactúan fuertemente son muy similares a la materia de baja densidad de neutrones encontrada en la corteza de las estrellas de neutrones.

Esta entrada participa en el XXXVI Carnaval de Física, que regresa a su casa en esta ocasión, el blog Gravedad Cero, de Carlo Ferri.

Este tema concluirá en Intersecciones de Física Nuclear Densa con Átomos Fríos y Estrellas de Neutrones.

Referencias.

The Pygmy Dipole Resonance in the neutron-rich nucleus 68Ni
A. Bracco, O. Wieland

Excitation of pygmy dipole resonance in neutron-rich nuclei via Coulomb and nuclear fields
A. Vitturi, E.G. Lanza, M.V. Andrés, F. Catara, D. Gambacurta

FRIB
Webiste

Lead Radius Experiment (PREx)
Jefferson Lab News

Cold Fermi atomic gases in a pumped optical resonator
J. Larson, G. Morigi, M. Lewenstein

Dynamics of Cold Fermi atoms in one-dimensional optical lattices (Recomendable)
Alexey V. Ponomarev

Pseudo-gap pairing in ultracold Fermi atoms
Hui Hu, Xia-Ji Liu, Peter D. Drummond & Hui Dong.

Measurement of the neutron radious of 208Pb through parity-violation in electron scattering
S. Abrahamyan et al. (PREx Collaboration).

Pygmies, Giants and Skins
J. Piekarewicz et al.

El día de hoy, en la conferencia ICHEP 2012 (Melbourne, Australia), científicos del CMS (Compact Muon Solenoid), uno de los experimentos que se están desarrollando en el LHC (Large Hadron Collider), realizaron la presentación de resultados preliminares sobre la búsqueda del Bosón de Higgs. Estos datos son los obtenidos hasta junio del 2012.

Pero antes de entrar en detalle sobre este comunicado es importante que entendamos ¿Qué es el bosón de Higgs y por qué esta nota ha dado la vuelta al mundo en tan pocas horas?  Bien, el Bosón de Higgs es la última partícula que falta por descubrir en el Modelo Estándar, la teoría que describe la formación básica del Universo, las otras 11 partículas ya fueron encontradas, por lo que el hallazgo de esta pieza faltante validaría el modelo. Si se encuentra algo diferente obligaría a revisar nuestra comprensión actual de la estructura del Universo. La creencia actual estima que en la primer billonésima de segundo tras el Big Bang, el Universo era una gran mezcla de partículas avanzando en diferentes direcciones a la velocidad de la luz, sin ninguna masa apreciable, y fue a través de su interacción con el campo de Higgs que ganaron masa y, posteriormente, formaron el Universo. El campo de Higgs es un campo de energía teórico que invade todo el Universo, algunas partículas (Como los fotones) no se ven afectadas por él y por lo tanto, carecen de masa. Como analogía, imaginen a un actor famoso, caminando por la calle, con un séquito de paparazzis (El Campo de Higgs) rodeándolo, y por la misma acera, camina un servidor (El fotón), y no recibo ningún tipo de atención de los fotógrafos. La partícula de Higgs es el rastro que deja el campo, comparable con una pestaña de los paparazzis . Esta partícula es teórica y su existencia fue propuesta en 1964, por un grupo de físicos, entre los que se encontraba Peter Higgs.

Ahora bien, regresando al comunicado, en sí, lo que se ha descubierto, es una partícula subatómica que podría ser el Bosón de Higgs, puesto que es consistente con la teoría, falta determinar si es una variante, si es el Bosón buscado o si es un Bosón completamente nuevo, lo cual nos llevaría a revisar la teoría sobre la estructura fundamental de la materia.

¿Por qué aún no son concluyentes? Aún cuando están realmente cerca de estarlo (Se tiene un nivel de confianza estadístico de 5 sigmas), es necesario obtener más resultados, para que el nivel de confianza sea mayor, y las dudas sean prácticamente eliminadas. Hay que recordar que, en la industria aeroespacial, electrónica, automotriz y metalmecánica, el nivel de confianza estadístico es superior a los 6 sigmas, así que, considerando las implicaciones ante un descubrimiento de este tamaño, pues la certeza a obtener debe ser lo más cercana al 100% que se pueda.

Es difícil no emocionarse con estos resultados, pero es importante mantener la paciencia y no dejarse llevar. Una vez que se tenga la confirmación por parte del equipo del CMS en el CERN, entonces sí, unámonos a los vítores y encendamos los fuegos artificiales, y entonces, nos formularemos la siguiente pregunta: “¿Y ahora, qué sigue?”.

Referencias

Observación de una Nueva Partícula con una masa de 125 GeV. Experimento CMS, CERN (Comunicado oficial en Español, CINVESTAV)

En la década de 1950, se construyeron aceleradores de partículas con la energía suficiente para crear partículas de segunda generación para estudiar el comportamiento de las mismas en experimentos controlados. En 1962, usando haces de neutrinos de alta energía creados por los aceleradores fue descubierto el neutrino de segunda generación; un experimento en el Brookhaven National Laboratory demostró que los neutrinos creados junto con muones en el decaimiento de los mesones son distintos de los neutrinos de primera generación creados en el decaimiento de átomos radioactivos. El descubrimiento de la segunda generación se completó cuando se encontró evidencia para el charm quark en los aceleradores de partículas, comenzando con el descubrimiento de la partícula J/Ψ (La cual consiste de un charm quark y un anticharm quark) en noviembre de 1974 en SLAC y Brookhaven.

Los descubrimientos experimentales de tercera generación inician cuando el leptón tau es descubierto en 1975 en SLAC, y después el bottom quark en 1977 en el Fermilab y en Cornell. Una vez que se observaron el leptón tau y el bottom quark, comenzó la búsqueda por el top quark de tercera generación. Pero ¿Cuál sería su peso? Todo lo que se sabía era que el top quark debería ser más pesado que el bottom quark o que podría encontrarse en los niveles de energía ya explorados. El bottom quark pesa cerca de los 5GeV o cerca de cinco veces la masa del protón (El cual contiene tres de los quarks más ligeros).

A principios de la década de 1990, los experimentos proporcionaron un estimado indirecto de la masa del top quark. Aún si una partícula no es producida en la reacción, esta puede influenciarla a través de los efectos cuánticos. De acuerdo a la mecánica cuántica, las partículas y sus antipartículas pueden entrar y salir de la existencia en un parpadeo, de este modo se producen pequeños pero medibles efectos en las interacciones de las partículas. En esa época, la información de las propiedades de los bosones Z era lo suficientemente precisa para ser sensible a los efectos cuánticos debidos a los top quarks. Esto llevó a estimar que la masa del top quark era de 150 a 200 GeV. Para una masa fuera de este rango, las medidas podrían no encajar con las predicciones del Modelo Estándar.

Este rango de masa apenas estaba en el alcance del Tevatron y en 1995, el top quark fue descubierto en el Fermilab, con una medición de 174 GeV. El descubrimiento inicial se basó en solo unas cuantas docenas de eventos, en los cuales un top quark y un antiquark se produjeron y decayeron en otras partículas, incluyendo bottom quarks y leptones, en un patrón característico y esperado.

El completar la tercera generación requiere la confirmación de que ésta tiene su propio tipo de neutrino. Así, el neutrino producido en asociación con una partícula tau deberá hacer solo partículas tau cuando interaccione con partículas W. Esta confirmación se obtuvo en el Fermilab en el 2000. Con la observación del neutrino Tau, tres de las cuatro partículas de la tercera generación del Modelo Estándar han sido descubiertas en el Fermilab,

Observar los efectos de los neutrinos es difícil, pero un reto aún mayor para los físicos de partículas ha sido la detección y medición de las masas de los neutrinos. Esas masas aún no han sido determinadas con precisión, y aún son candidatas a ser pistas importantes acerca de la unificación de partículas. Hay varios enfoques para detectar las masas de los neutrinos, las más sensibles, de las cuales dependen múltiples tipos de neutrinos. Si los neutrinos tienen masa, entrará en juego un efecto de mecánica cuántica conocido como “neutrino oscillations”. Como un neutrino de un tipo viaja a través del espacio, este puede convertirse espontáneamente en otro tipo de neutrino. Por ejemplo, un neutrino muon puede convertirse espontáneamente en un neutrino tau o en un neutrino electrón. Después, puede revertirse a neutrino muon y esto es por la oscilación de los neutrinos. La probabilidad de la oscilación depende de las diferencias en las masas entre los neutrinos, y se necesitan grandes distancias para que esos cambios ocurran con una alta probabilidad.

Los neutrinos creados por el sol recorren 150 millones de kilómetros antes de llegar a la Tierra, lo cual les hace candidatos probables a someterse a oscilaciones. Comenzando con las primeras mediciones realizadas hace 40-50 años en Homestake Gold Mine en South Dakota, cada medición del número de neutrinos electrones procedentes del sol que alcanzaron la Tierra entregó un pequeño resultado inesperado. Las observaciones subsecuentes, de laboratorios en Japón y Canadá, encontraron anomalías similares en las propiedades de los neutrinos creados en la atmósfera de la Tierra por los rayos cósmicos, los formados por reactores nucleares, y los producidos en los aceleradores. Todas esas observaciones se interpretan en la actualidad en términos de masas y oscilaciones de neutrinos.

Cuando emergió la segunda generación emergió (Con el descubrimiento del muon en los rayos cósmicos), cayó del cielo sorprendiendo a todos. En contraste, la existencia de una tercera generación se sugirió por adelantado como una posible explicación a la denominada Violación CP.

Una de las predicciones sorprendentes de combinar mecánica cuántica con la relatividad especial es la existencia de la antimateria. La antimateria se descubrió en los rayos cósmicos como antielectrones (Positrones). El antiprotón fue el primero creado de forma artificial en uno de los primeros aceleradores de alta energía, el Lawrence Berkeley National Laboratory Bevatron. Para cada tipo de partícula, existe su correspondiente antipartícula con la misma masa y spin pero carga eléctrica opuesta. Cuando la partícula y la antipartícula coinciden, se pueden aniquilar y generar radiación. Las leyes de la física para la materia y la antimateria son similares, pero en el universo hay mucha materia y muy poca antimateria. La razón de esto aún es un misterio.

En 1964 se descubrió en Brookhaven que la materia y la antimateria se comportan ligeramente diferente. En ese experimento, los científicos prepararon un haz de partículas kaon de tal forma que una mitad fuera materia y la otra antimateria. Con un estudio meticuloso de las partículas, observaron que las partículas de materia se comportaban diferente que las de antimateria. Este descubrimiento fue una gran sorpresa, no solo porque violaba la supuesta equivalencia entre materia y antimateria sino porque esto sugirió una conexión entre la microfísica de partículas elementales y la cuestión macrofísica de la cantidad de antimateria en el universo. Esta pequeña pero fundamental asimetría en las leyes físicas entre materia y antimateria es la ya mencionada violación CP (Charge Parity – Paridad de cargas). Desde entonces, se han desarrollado diferentes experimentos en el Fermilab, y en 1999, el estudio del sistema kaon promovió y confirmó la presencia de la violación CP no solo en el comportamiento de los kaons sino en su decaimiento.

El universo primigenio se llenó con materia y antimateria, y la física moderna y la teoría cosmológica sugieren que ambas estaban igualmente representadas. Conforme el universo se fue enfriando, la materia y la antimateria se iban aniquilando una a la otra. Si las leyes de la naturaleza habían tenido una perfecta simetría entre la materia y la antimateria, el universo frío mantendría cantidades iguales de materia y antimateria, con lo cual habrían sido capaces de aniquilarse por completo, convirtiéndose en fotones. Para ese momento, las temperaturas “ordinarias” que se alcanzaron (En este contexto, un millón de grados Celsius puede considerarse suficientemente frío), habría hecho que la materia y antimateria desaparecieran, dejando solo fotones y materia oscura. Esto habría resultado en un universo demasiado aburrido.

En lugar de eso, el universo primigenio al parecer produjo un excedente de materia (comparado contra la antimateria). Así, después de que la antimateria se aniquilo con la cantidad necesaria de materia, quedó como remanente el excedente. El universo actual contiene más de un billón de fotones por cada protón, neutrón y electrón. En el universo completo, sin embargo, la materia que quedó es solo una traza o rastro, pero está condensado en regiones densas para formar galaxias, estrellas, planetas y otros cuerpos celestes.

En el Modelo Estándar, la violación CP no puede ocurrir en un mundo de dos generaciones, requiere una tercera generación. Con la tercera generación incluida, el Modelo Estándar lleva a una teoría elegante de violación CP. Para evaluar su efectividad se requieren experimentos con partículas de tercera generación, dado que los efectos de las violaciones CP son demasiado minúsculos para las dos primeras generaciones.

Esta entrada participa en la XXIX Edición del Carnaval de Física, alojado este mes en Zurditorium.

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

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

Los aceleradores más poderosos del mundo, que están entre los dispositivos experimentales más grandes y tecnológicamente sofisticados jamás construidos, son máquinas impresionantes que involucran notables hazañas de la ingeniería. También han generado olas de innovaciones tecnológicas y aplicaciones en todas las ciencias y en la sociedad.

Un ejemplo notable en los años recientes fue el desarrollo de los protocolos clave que apuntalaron la World Wide Web. Construida en la columna vertebral de la ya existente Internet, esta nueva forma de compartir información ha revolucionado la forma en la que el mundo se comunica y hace negocios. Estos protocolos fueron desarrollados inicialmente por un investigador en el CERN, buscando mejores formas para que un gran grupo de físicos de partículas pudieran compartir información y colaborar en experimentos.

Los pequeños generadores utilizados en los hospitales para generar (Valga la redundancia) rayos X para los tratamientos con radiación vienen de diseños desarrollados por la física de partículas. Estos diseños han sido mejorados y refinados por un investigador en tecnologías de aceleradores para que la ciencia continúe a la vanguardia para ser aplicada en medicina. Varios miles pacientes son tratados diariamente con radiación obtenida de aceleradores de electrones. Los aceleradores también son utilizados para producir radioisótopos para tratamientos, equipos de diagnóstico, investigación y tecnologías desarrolladas para la detección de partículas en experimentos de física de alta energía que puedan tener aplicaciones en la medicina.

Cuando las partículas de energía cargadas pasan a través de caminos curvos en un campo magnético, generan radiación. La capacidad de los aceleradores para producir haces de rayos X o fotones de diferentes energías ha generado aplicaciones a través de un amplio rango de ciencias. Cada año, más de 50,000 investigadores alrededor del mundo, de diferentes disciplinas científicas utilizan estos poderosos haces de luz para gestionar sus experimentos. Los aceleradores de rayos X proporcionan, por ejemplo, la capacidad para descifrar la estructura de las proteínas y otras macromoléculas biológicas, o para encontrar rastros de impurezas en el ambiente o en la superficie de un chip de silicio. La ciencia producida por estos experimentos ha encontrado aplicaciones tanto en la industria como en la medicina.

En general, la física de partículas contribuye a (Y depende de) los avances en otras áreas de la física (Como la física nuclear y la física de materia condensada) y muchos otros campos científicos, que incluyen, pero no se limitan a ciencias de materiales, computación, biología, química y nanociencias. La salud de la ciencia requiere soporte o apoyo de todas las partes de esta telaraña interconectada.

Los retos técnicos afrontados por los físicos de partículas (Tales como procesar millones de señales rápidamente, utilizando computadoras distribuidas para resolver problemas complejos, generar campos electromagnéticos o confinar partículas cargadas) ha generado muchas tecnologías derivadas. La física de partículas también ha contribuido en forma importante en las matemáticas, aún cuando las matemáticas se han utilizado para entender las estructuras teóricas que describen las partículas.

En la industria, los aceleradores son utilizados para investigación y desarrollo, manufactura, análisis y control de procesos. Por ejemplo, los haces de los aceleradores son utilizados para alterar la composición de los materiales y mejorar las características de los productos. El rango de uso de los aceleradores va desde el fechar muestras arqueológicas hasta la simulación de rayos cósmicos para determinar el impacto de la radiación en equipos electrónicos.

Finalmente, dado que los físicos de partículas han conducido algunas de las cuestiones más profundas que los humanos podemos preguntar, esto termina resonando fuertemente con el público en general. La estantes de las librerías, en la sección de ciencias están repletas de exposiciones populares de la actual comprensión de estos temas, y muchos jóvenes se sienten atraídos por la ciencia, porque están interesados en los temas abordados por la física de partículas.

En la Terascala, dos de las principales fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear débil y la electromagnética, parecen unirse para ser una entidad individual. El cómo pasa esto exactamente, es un misterio aún. Hay una propuesta dentro de la estructura del Modelo Estándar, pero nunca ha sido evaluada y plantea cuestiones teóricas desconcertantes. El entender cómo es que estas dos fuerzas están unificadas, se cree que es una parte importante para entender la unificación general de las fuerzas de las partículas, quizá incluyendo la gravedad, de acuerdo con el sueño estético de Einstein de unificar todas las leyes de la naturaleza. (Ver El Sueño de Einstein).

El cómo es que estas dos fuerzas están unificadas es una cuestión que solo puede responderse con aceleradores. Por ejemplo, no es posible realizar estas medidas utilizando rayos cósmicos, porque la energía más alta de los rayos cósmicos es también poca y no es posible estudiarlos con la precisión suficiente.

Los científicos buscan en todas partes la explicación más simple posible al fenómeno que están estudiando y que pueda sobrevivir al escrutinio científico. En la física, el desarrollo de una estructura coherente científica única que pueda explicar la naturaleza de la materia, su masa, su evolución y las fuerzas asociadas, ha inspirado el trabajo y sueños de generaciones de físicos. Además, la unificación científica de los aparentemente diversos fenómenos frecuentemente genera grandes dividendos intelectuales, como ocurrió con la unificación de la electricidad y el magnetismo en el siglo diecinueve. El siguiente paso importante en este programa de unificación requiere la investigación directa de la Teraescala.

Los experimentos y teorías pasadas nos indican que los nuevos fenómenos esperan descubrimientos en este rango de energía. Se podría observar un mundo de nuevas partículas predichas por una hipótesis conocida como supersimetría, y esas nuevas partículas podrían proporcionar información esencial acerca de las partículas ya conocidas. Las partículas que constituyen la materia oscura responsable de la formación de las galaxias podrían aparecer en esa energía. La Teraescala podría ser la entrada a nuevas entradas del espacio, más allá de esas que experimentamos directamente pero que sin embargo, pueden tener un impacto importante en nuestro mundo. Los nuevos fenómenos que aparezcan en la Teraescala podrían incluir partículas como el boson de Higgs, el cual es responsable de la masa de las partículas conocidas. O, esos nuevos fenómenos podrían tomar una forma completamente diferente, incluyendo fenómenos que son completamente inesperados e inimaginables. Todas esas posibilidades pueden ser mejor exploradas en los aceleradores.

La exploración de la física en la Teraescala es el siguiente paso esencial para direccionar lo retos científicos en la física de partículas. La física de partículas parece estar en el borde de uno de los periodos más emocionantes de su historia.

El Modelo Estándar proporciona una excelente y cuidadosamente probada descripción del mundo subatómico a los niveles de energía que actualmente pueden ser estudiados en los laboratorios. Sin embargo, en esos niveles de energía los cuales los físicos solo pueden acceder de forma experimental, el Modelo Estándar es incompleto. Esto sugiere que los nuevos descubrimientos que se vislumbren en los años por venir, especialmente por el LHC comiencen a explorar esta región de la energía. Esto también sugiere que esos inminentes descubrimientos podrían transformar nuestro entendimiento del origen de la materia y energía, y el comportamiento de la evolución del Universo.

Las limitaciones del Modelo Estándar son evidentes, por ejemplo, cuando tratamos de contar con la Fuerza de Gravedad. El Modelo Estándar incorpora las fuerzas nucleares fuerte y débil, así como el electromagnetismo, pero, cuando los físicos intentan incluir a la gravedad como una cuarta fuerza, encuentran varias inconsistencias matemáticas. En consecuencia, dos pilares de la física del siglo veinte (La gravedad, tal como la describió Einstein en su Teoría General de la Relatividad y la mecánica cuántica) requieren nuevas estructuras teóricas que las incluyan.

Los descubrimientos astronómicos poseen otros retos al Modelo Estándar. Las observaciones astronómicas muestran que los protones, neutrones, electrones y fotones (Los cuales cuentan para todo con lo que estamos familiarizados) representan menos del 4% de la masa total de la masa y energía del Universo. Aproximadamente el 20% consiste de alguna forma de materia oscura: Partículas masivas o aglomeraciones de partículas que no brillan y no dispersan o absorben luz. Los astrónomos pueden detectar materia oscura observando cómo ésta distorsiona las imágenes de galaxias distantes, un efecto conocido como lente gravitatorio, y entonces pueden trazar un mapa de la distribución de la materia oscura a lo largo del espacio. La composición de materia oscura aún no se conoce; esta podría consistir de una nube de partículas elementales con algún orden desconocido aunque hay otras posibilidades. Sin embargo, debemos nuestra existencia a la materia oscura. Sin la atracción adicional de la materia oscura, las estrellas y las galaxias, probablemente no se hubieran formado, debido a que la expansión del Universo, habría dispersado la materia ordinaria rápidamente.

Más sorprendente es el hecho de que la mayoría de la energía del Universo actual consiste de algo totalmente distinto (Una efímera materia oscura que se repele a sí misma). Un grupo de materia ordinaria o materia oscura tiene una fuerza gravitatoria de atracción que ralentiza la expansión del Universo, pero la energía oscura ‘empuja’ para separarlo y así acelerar la expansión del cosmos. Dado que la mayoría de la energía del Universo es oscura, la expansión del Universo, se está acelerando. En consecuencia, la materia oscura interpreta un papel crucial en el pasado causando la formación de galaxias, y el de la energía oscura en la continua evolución del Universo. ¿Qué son la energía y materia oscura y como es que encajan en el entendimiento completo de la materia, energía, espacio y tiempo? Esa es una de las cuestiones científicas más irresistibles de nuestro tiempo.

El predominio de la materia sobre la antimateria en el Universo también proporciona problemas al Modelo Estándar. En 1928, la incorporación de Dirac de la Teoría de la Relatividad General de Einstein en la mecánica cuántica sugiere que, por cada tipo de partícula elemental, hay una antipartícula con la misma masa y carga contraria. Cuando una partícula y su antipartícula se reúnen, ambas se aniquilan y su masa se convierte en energía radiante. Los experimentos utilizando antimateria en laboratorios de física de alta energía muestran que las fuerzas fundamentales actúan casi igual en partículas que en antipartículas excepto por pequeñas diferencias que pueden explicarse utilizando el Modelo Estándar. Sin embargo, el Modelo Estándar no puede explicar porque el Universo consiste casi por completo de materia y casi no de antimateria. Esta asimetría es buena, dado que si tuviera cantidades similares, todo se habría aniquilado en el Universo primigenio. Sin embargo, la causa de este gran desequilibrio sigue siendo un misterio. Muchos físicos creen que fue creado por procesos físicos que ocurrieron cuando el Universo se fue enfriando después del Big Bang. Podría ser posible estudiar algunos de los mismos procesos físicos por medio de la colisión de partículas elementales en altas energías en los aceleradores.

Otra cuestión sobresaliente involucra la evolución temprana del Universo. La mayoría de los cosmólogos cree que las estructuras de gran escala del Universo fueron creadas por un ‘estallido’ que derivó en una inflación, un breve periodo de hiperacelerada expansión durante los primeros 10^-30 segundos después del Big Bang, quizás asociado con interacciones que involucran energía oscura. Esta inflación podría haber suavizado rápidamente la distribución de materia y energía, excepto por excepto por ‘pequeños grumos’ que posteriormente serían las semillas para la formación de galaxias. Observaciones recientes de la radiación cósmica de fondo ha proporcionado pruebas que corroboran exquisitamente precisa esta idea de la inflación, pero permanece un componente clave perdido, la explicación sobre qué fue lo que condujo esa hiper-expansión. El Modelo Estándar no proporciona una respuesta, pero las nuevas leyes físicas descubiertas utilizando los aceleradores de alta energía de última generación podrían proporcionar pistas esenciales.

Las nuevas evidencias acerca de las propiedades de los neutrinos también plantean nuevas cuestiones. Los neutrinos son numerosos en extremo pero rara vez interactúan con los constituyentes básicos de la materia (Billones de billones de neutrinos pasan inalterados a través de nosotros cada segundo, literalmente).Una serie de experimentos ha demostrado que los neutrinos, quienes largamente se consideraron sin masa, si poseen una muy pequeña (Aproximadamente 1/200,000 de la masa del electrón, quien de hecho, tiene una masa extremadamente pequeña. Por otra parte, los neutrinos producidos en la naturaleza no están aparentemente en un estado de masa concreto. Este fenómeno, el cual podría desconcertar a un físico clásico, es un efecto típico de la mecánica cuántica. Esto tiene una consecuencia peculiar: Los neutrinos pueden cambiar espontáneamente de una forma a otra, efecto conocido como “Oscilaciones de neutrinos”. Las masas de los neutrinos no se ajustan al Modelo Estándar, así que estas nuevas observaciones han necesitado la primera mayor ampliación del Modelo Estándar en tres décadas. Exactamente que extensiones se requieren es algo que no sabremos hasta que se completen los experimentos de neutrinos actualmente en operación, así como la siguiente generación de experimentos que ahora se están planeando o iniciando.

Así, prácticamente al inicio del siglo veintiuno, los experimentos de física de partículas, observaciones astronómicas, y desarrollo teóricos tanto en la física de partículas como en la cosmología, apuntan a nuevos fenómenos que están justo en el borde de ser observados La combinación de la teoría cuántica y la relatividad general, y el entendimiento de la materia y energía oscuras, requerirán nuevas ideas y nuevos experimentos. La tecnología necesaria para conducir esos experimentos está ahora disponible. Como resultado, la física de partículas está lista en la orilla de una nueva revolución científica tan profunda como la que Einstein y otros la marcaron a principios del siglo veinte. Hay muchas posibilidades de que estos descubrimientos Teraescalares tengan un impacto igualmente importante en otros campos de la ciencia.

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La física ha demostrado que los fenómenos diarios que experimentados son gobernados por los principios universales que se aplican a escalas de tiempo y distancia más allá de la experiencia normal humana. La física de partículas es una vía de investigación científica de estos principios. ¿Qué reglas gobiernan la energía, la materia, el espacio y el tiempo a los niveles más elementales? ¿Cómo están conectados los fenómenos a las escalas más pequeñas y grandes de tiempo y distancia?

Para contestar estas preguntas, la física de partículas busca aislar, crear e identificar interacciones elementales de los constituyentes básicos del Universo. Un enfoque es la creación de un rayo de partículas elementales en un acelerador y el estudio del comportamiento de esas partícula (Por ejemplo, cuando chocan con una pieza de un material determinado o cuando colisionan con otro rayo de partículas). Otros experimentos explotan las partículas de origen natural, incluyendo esas creadas por el Sol o como resultado de rayos cósmicos impactando en la atmósfera de la Tierra. Algunos experimentos involucran el estudio de materiales ordinarios en grandes cantidades para percibir fenómenos raros o buscar fenómenos ya observados. Todos esos experimentos confían en detectores sofisticados que emplean un amplio rango de tecnologías avanzadas para medir y registrar las propiedades de las partículas.

Los físicos de partículas también utilizan los resultados de los telescopios terrestres y espaciales para estudiar las partículas elementales y las fuerzas que gobiernan sus interacciones. Esta categoría de experimentos resalta el incremento importante de la intersección de física de partículas, astronomía, astrofísica y cosmología. En general, la enorme infraestructura centralizada, tal como los aceleradores de partículas, telescopios y detectores, interpretan un papel crucial que hace posible la física de partículas. Trabajando juntos, en grandes equipos, los físicos de partículas construyen y operan esas complejas instalaciones y comparten los resultados. No todos los experimentos son grandes, sin embargo, el progreso en la física de partículas depende de los esfuerzos combinados de ambos tipos de proyectos, grandes y pequeños.

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:

Physics at the Terascale

Ian C. Brock

Electroweak Physics at the LHC (Theory)

Ansgar Denner

Non-Equilibrium Dynamics and Physics of the Terascale Sector

Ervin Goldfain

Physics at the Terascale

Helmholtz Alliance Website

Terascale Physics Summary

Jack Gunion

CoEPP

ARC Centre of Excellence for Particle Physics at the Terascele Website

NOTA: Esta entrada es continuación de “¿Pueden todas las fuerzas entre partículas ser entendidas bajo un marco unificado?” publicada el 4 de julio de 2011.

Rompimiento de la simetría

Uno de los conceptos más importantes en física es el rompimiento espontáneo de la simetría. Las leyes de la naturaleza con frecuencia tienen una simetria mucho mayor que los fenómenos que en realidad observamos. La razón es que el estado de baja energía de un sistema con frecuencia no tiene una simetría total inherente a las leyes. Un ejemplo sería el de una esfera colocada en la punta de un sombrero, tal como se muestra en la imagen destacada.

Cuando la esfera se coloca en la punta, la configuración es simétrica (La esfera y el sombrero lucen idénticos desde cualquier lado), pero ¡La esfera no permanece encaramada por mucho tiempo! Al decrecer la energía del sistema, la esfera comienza a rodar cuesta abajo en una dirección u otra. Podría rodar en cualquier dirección, pero tiene que escoger una dirección, y en ese punto, la simetría se ha quebrado. El rompimiento espontáneo de la simetría describe un sistema donde un estado de baja energía tiene menos simetría que las ecuaciones que describen ese sistema.

La naturaleza tiene otros ejemplos. Otro sencillo es el manejo de una escoba que es balanceada, colocándola de forma vertical en la orilla de una mesa plana circular. Las ecuaciones que describen ese sistema son simétricas con respecto a la rotación del eje definido por la escoba vertical, pero cuando esta cae, en cualquier dirección, en consecuencia, la simetría se rompe espontáneamente. De la misma manera, un pedazo de hierro magnetizado es otro ejemplo de rompimiento de la simetría. Cuando se funde el hierro, los spins de los átomos individuales de hierro apuntan en todas direcciones y las ecuaciones describen que sus interacciones tienen simetría rotacional, pero una vez que el hierro se enfría, tiene un estado de baja energía, en el cual, sus spins, están alineados predominantemente en alguna dirección, otorgándole al hierro un eje magnético que rompe la simetría rotacional.

La simetría que se rompe en la física de partículas es la simetría entre los diferentes tipos de partículas de la fuerza nuclear débil (El fotón, el bosón W y el bosón Z). De forma experimental, lucen completamente diferentes. Nosotros observamos los fotones con nuestros ojos, pero necesitamos aceleradores para detectar los bosones W y Z.  Aún las ecuaciones fundamentales que describen esas partículas (Y las fuerzas intermedias) son casi las mismas.

Esta diferencia es en gran parte responsable de la naturaleza de nuestro Universo. Como están las partículas, así se encuentran las fuerzas entre ellas. Debido a que el rompimiento de la simetría entre los fotones y los bosones W y Z, la electricidad (Mediada por los fotones) es la base del mundo moderno y las fuerzas débiles (Mediadas por los bosones W y Z) se encuentran ocultas mayoritariamente en el interior de los átomos individuales.

Con el descubrimiento de la partícula de Higgs en los aceleradores, o quizás algo aún más complejo, los físicos esperan aprender como la naturaleza rompe la simetría entre las diferentes partículas y fuerzas.