TEMA 5. El modelo estándar de la física de partículas

Transcripción

1 TEMA 5. El modelo estándar de la física de partículas No entiendes realmente algo,a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela." Richard Feynman Lectura: La mejor explicación del Boson de Higgs 0. Intro El Modelo Estándar de física de partículas se basa en la Teoría Cuántica de Campos (consistente con la Mecánica Cuántica y la Relatividad Especial) para describir las particulas y las interacciones fundamentales que componen toda la materia del Universo. Aunque no es una teoría perfecta ya que no incluye la cuarta interacción fundamental que se conoce (la gravedad) y tiene un gran número de parámetros que se deben hallar experimentalmente en vez de obtenerlos a partir de primeros principios. Pese a todo es la mejor aproximación a la realidad con la que contamos y ha servido para predecir la existencia de partículas anteriormente desconocidas que más adelante han podido ser detectadas. El Modelo Estándar explica las interacciones nuclear débil, nuclear fuerte y la electromagnética, y describe a cada tipo de partícula en términos de un campo matemático. 1. Historia Allá por el 450 a.e.c., Demócrito de Abdera propuso que toda la materia que forma la tierra y todo lo conocido estaba compuesta de pequeñas partículas indivisibles. Demócrito utilizó la palabra átomo (indivisible) para designar a estas supuestas partículas. El hecho de que la materia no fuera continua, sino que estuviera compuesta por átomos es lo que se dió en llamar la teoría Atómica. A lo largo de los siglos, la teoría atómica tuvo muchos defensores y detractores. El trabajo que para muchos cerró definitivamente esta polémica, probando de forma incuestionable la teoría atómica, fue uno de los cinco artículos que Albert Einstein publicó en Resulta curioso pensar que muy pocos años después se demostrara que tales átomos no eran indivisibles, sino que estaban formados por un núcleo central en el que residían dos tipos de partículas llamadas protones y neutrones y una capa externa de un tercer tipo de partículas llamadas electrones. El descubrimiento de la estructura interna del átomo aclaró muchas cosas. En aquellos años la teoría electromagnética era ya bastante bien conocida y por ella sabíamos que los protones, que tenían una carga eléctrica de +1, se atraían con los electrones, que tenían una carga eléctrica de -1. Esto hacía, además, que el número de protones y electrones de un átomo tendiera a igualarse. Quedaba como un misterio, que tardaría todavía algunos años en ser resuelto, el porqué los protones y los neutrones permanecían unidos en el núcleo, cuando la fuerza electromagnética entre los protones debería hacer que se repelieran entre sí. Muchos de los resultados de la Química empezaron a estar claros y a ser deducibles de la Física. Los diferentes elementos químicos que se conocían se caracterizaban por el número de protones en su núcleo. La tabla periódica cobraba un significado físico muy concreto. 1

2 Pero en aquellos años, la mecánica cuántica empezaba a complicar lo que parecía un elegante esquema de cómo estaba compuesta la materia. Los electrones, protones y neutrones se comportaban a veces como pequeños corpúsculos ( pelotitas ) y a veces como ondas. También se comprobó que la luz no era una radiación continua, sino que también estaba formada por unas partículas llamadas fotones, que también tenían este doble comportamiento onda-corpúsculo. Las partículas elementales son algo muy extraño. Aunque a veces nos podemos hacer la imagen mental de que son unas pelotitas, son algo mucho más complicado, algo que no alcanzamos a comprender aún. El físico Paul Dirac estableció en 1931 que para toda partícula elemental tenía que existir una antipartícula, con idénticas propiedades pero con carga opuesta; concretamente, debía existir un anti-electrón. Puesto que no se conocía dicha partícula, Dirac pensó que tal vez el anti-electrón fuera el protón, a pesar de que no cuadraba el que los valores de sus masas fueran tan diferentes. No se atrevía a asegurar la existencia de una partícula que nunca nadie había visto, aunque pocos años después, dicha partícula fue identificada y denominada positrón. Ante ese descubrimiento, Dirac dijo: mi ecuación es más inteligente que su inventor! Un Zoo de partículas La Mecánica Cuántica establece cómo se comportan las partículas elementales y que las fuerzas se transmiten por unas partículas portadoras. Es decir, existen dos tipos de partículas: las que forman la materia, llamadas Fermiones (por el físico Enrico Fermi) y las que transmiten las fuerzas, llamadas Bosones (por el físico Santyendra Nath Bose). Sin embargo, la Mecánica Cuántica no nos dice nada sobre qué partículas y qué fuerzas son las que existen en la naturaleza, por lo que los físicos se lanzaron a inventariarlas. Las décadas de 1950 y 1960 fueron los años de florecimiento de los grandes aceleradores de partículas. En estos años, los físicos estaban muy desconcertados. Continuamente se descubrían nuevas particulas elementales y nos mostraban una imagen de la naturaleza sumamente complicada. Fermi dijo: Si llego a adivinar esto, me hubiera dedicado a la botánica. Los aceleradores de partículas son grandes túneles, normalmente bajo tierra, algunos en línea recta y otros circulares, y a veces con longitudes de varias decenas de kilómetros. En un acelerador de partículas se aceleran partículas mediante campos magnéticos hasta acercarlas a velocidades muy próximas a la de la luz, para finalmente hacerlas chocar entre sí. Los hay de dos tipos según las partículas que aceleran: los que hacen chocar entre sí electrones con positrones y los que hacen chocar entre sí protones y antiprotones. Uno de los mayores laboratorios de física de partículas del mundo es el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear), consorcio de varios países europeos entre los que está España, con sede en Ginebra, que cumplió su cincuenta aniversario el pasado año En el CERN se ha realizado una gran parte de los descubrimientos en física de partículas de los últimos años y, curiosamente, fueron los inventores de la web. En 1970 en estos aceleradores se había encontrado todo un zoo de decenas de partículas como los piones y kaones. Finalmente, una teoría propuesta por Murray Gell-Man, por la que recibió el premio Nobel, simplificó totalmente el panorama postulando que existían unas partículas más elementales aún que los protones y neutrones que formaban a los mismos. Dichas partículas se denominan Quarks y pueden unirse de tres en tres para formar protones y neutrones o de dos en dos para formar otros muchos tipos de partículas, como los piones y kaones. La fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética eran bien conocidas, pero para poder explicar cómo los neutrones y los protones están unidos entre sí, fue necesario postular una nueva fuerza llamada fuerza nuclear fuerte. Con el descubrimiento de los quarks fue posible establecer una teoría coherente de la fuerza nuclear fuerte, que tiene una extraña característica llamada libertad 2

3 3. El Modelo Estándar de física de partículas En 1963, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron la teoría de que los hadrones son en realidad combinaciones de otras partículas elementales llamadas quarks, cuyas interacciones son transmitidas por gluones, la partícula responsable de la interacción fuerte, y que consigue unir a los quarks para formar las partículas ya comentadas. Esta es la teoría subyacente de las investigaciones actuales, y se la suele denominar con el nombre de Modelo Estándar. Según esta teoría, las partículas existentes se pueden dividir en tres tipos: partículas de materia, partículas mediadores de las fuerzas y el bosón de Higgs. Las partículas de materia son fermiones ya que tienen un valor de spin igual a 1/2 y por lo tanto obedecen el principio de exclusión de Pauli (dos fermiones no pueden encontrarse en el mismo estado cuántico). Estas partículas se dividen en dos grupos de seis miembros cada uno: quarks (up, down, strange, charm, top y bottom) y leptones (electrón, muón, tau o tauón, y sus respectivos neutrinos). Las partículas mediadores de fuerza tienen un spin igual a 1 por lo que son bosones y siguen la estadística de Bose-Einstein. El Modelo Estándar explica las fuerzas fundamentales entre partículas mediante el intercambio de estas partículas mediadoras. Hay cuatro tipos de partículas dentro de este grupo: fotón (interacción electromagnética), bosones W y Z (mediadores en la interacción débil) y el gluón (causante de la interacción nuclear fuerte). El tercer tipo de partícula fundamental es también un bosón y se conoce como bosón de Higgs. Esta partícula aún no ha sido descubierta pero el Modelo Estándar predice su existencia, que serviría para explicar el origen de las masas del resto de partículas. Recientemente el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) ha conseguido detectar este bosón. A continuación se muestra un esquema de las partículas elementales predichas por el Modelo Estándar y de los hadrones (partículas compuestas): 3

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5 Y aquí una tabla con todas las partículas elementales descubiertas, con sus valores de masa, carga y spin: 5

6 El bosón de Higgs, la partícula de Dios El bosón de Higgs es el Santo Grial de la Física de Altas Energías actual. Se cree que gracia a él las partícula adquieren masa. Es un bosón porque tiene spin entero y respondería a la estadística de Bose Einstein, a diferencia de los fermiones que son de spin semientero y responden a la estadística de Fermi-Dirac. El Modelo Estándar de partículas describe tres familias de partículas compuestas por quarks y leptones. Los quarks y leptones estables forman la materia de la usted y lo que le rodea están hechos. Los bosones serían las partículas mediadoras de las fuerzas fundamentales, como los fotones que son los responsables de la fuerza electromagnética o los gluones (del glue, pegamento en inglés) que mantendrían a los quarks unidos entre sí formando, por ejemplo, protones. También están los bosones W y Z que median en la fuerza nuclear débil y que controla las desintegraciones nucleares. Sin la fuerza débil el Sol no funcionaría y usted no estaría aquí leyendo esto. El bosón de Higgs tiene una categoría especial. Se llama de Higgs por Peter Higgs, un profesor de la Universidad de Edimburgo que descubrió un mecanismo teórico mediante el cual las partículas podían adquirir masa. Un campo especial llenaría todo el espacio, sería el campo de Higgs, y todas las demás partículas interaccionarían con él. A más interacción (con las partículas virtuales de Higgs que compondrían ese campo) más difícil les sería moverse por el espacio, de tal modo que nosotros lo veríamos como que estas partículas adquieren una masa. Si no hay interacción la masa es nula y las partículas se pueden mover a la velocidad de la luz como le pasa a los fotones. El mecanismo de Higgs es elegante y permite al Modelo Estándar estar casi completo. Pero todavía no se ha demostrado la existencia de este campo de Higgs. En un momento de idiotez supina algún iluminado (espero que alejado del mundo de la Física) denominó a la partícula de Higgs la partícula de Dios. Los científicos del laboratorio europeo CERN anunciaron el pasado 4 de julio de 2012, que por fin tienen pruebas más que sólidas, con una seguridad superior al 99,999%, que han detectado el bosón de Higgs, la esquiva partícula elemental que ayudaría a explicar por qué existe la materia tal y como la conocemos. El bosón de Higgs, llamado popularmente partícula de Dios, era el único vacío que quedaba por cubrir en el Modelo Estándar de la física, la teoría más ampliamente aceptada que describe el funcionamiento del Universo. Era como la última pieza de un puzzle teórico que llevaba décadas sin acabarse. Las demás piezas que fueron predichas se han ido descubriendo una a una. 6

7 " Qué pasaría si el bosón de Higgs no existiera?", le preguntó un periodista a Heuer. "Pues que usted no existiría", le respondió el director del CERN. Si no fuera por el bosón de Higgs, las partículas fundamentales de las que se compone todo viajarían sin orden a la velocidad de la luz y el Universo como tal no se habría fraguado. TODO LO QUE SIEMPRE QUISO SABER SOBRE LA TEORÍA DE SUPERCUERDAS Y NUNCA SE ATREVIO A PREGUNTAR El Modelo Estándar ha tenido mucho éxito en Física y permite describir bien la realidad de las partículas elementales siempre y cuando no contemos con la gravedad y no nos desagrade la introducción de parámetros libres cuyos valores debemos de poner desde fuera a dedo. Estas dos insatisfacciones llevó a los teóricos de cuerdas a enredarse desde hace décadas y ya están a punto de ahorcarse con ellas en un espacio de múltiples dimensiones. Pero materializar partículas a veces no fue sencillo. Pueden hacer su trabajo en el plano virtual, sin tener consistencia material, pero si queremos verlas debemos obtenerlas en un acelerador de partículas. Si hacemos chocar dos partículas a velocidad relativista la energía desprendida puede dar origen a otras partículas, incluso a aquellas inestables y muy pesadas. Sólo hace falta introducir suficiente energía como para que haya, en su traducción en masa, la partícula que buscamos, y aparecerán una vez entre muchas. Cuanto más pesada es la partícula que queremos crear más difícil es la tarea. Todos, absolutamente todos los fenómenos físicos que ocurrieron, ocurren y ocurrirán en el Universo pueden ser explicados o bien por la Mecánica Cuántica o bien por la teoría de la Relatividad General. La Mecánica Cuántica nos explica todos los fenómenos del micromundo (átomos, electrones, y subpartículas en general) y la Relatividad General el resto, es decir sistemas de grandes dimensiones. Todas las ecuaciones que nos han enseñado desde pequeños en clase de física no son en realidad más que deducciones de estas dos grandísimas teorías. El mayor problema de la física actual (yo incluso diría que de la ciencia en general) es que las dos teorías no pueden ser correctas a la vez! Ambas teorías son contradictorias en su misma esencia. Desde los años 60 se viene buscado -sin éxito- una teoría que haga compatibles las dos: la famosa TEORÍA DEL TODO, que nos permitiría comprender el Universo en su totalidad y que los físicos esperan poder descubrir en pocas décadas. Sin embargo, hasta el día de hoy, lo más parecido a esta teoría del todo es una parida matemática llamada teoría de las Supercuerdas, que voy a tratar de explicar. La teoría de las Supercuerdas consiste en un desarrollo exclusivamente matemático (no experimental) que consigue unificar las ecuaciones de la mecánica cuántica con las ecuaciones de la relatividad general. La idea fundamental, es considerar a todas las subpartículas (tanto a los componentes de los átomos como los electrones o los quarks, como a las fuerzas que los gobiernan) no como objetos puntuales (relatividad general), ni como ondas de probabilidad (mecánica cuántica), sino como una especie de cuerdas pequeñísimas, miles de trillones de veces mas pequeñas que un protón quevibran en un espacio de 10 dimensiones!!! 7

8 Por otra parte, parece ser que según el Modelo Estándar, todo el universo está compuesto únicamente por 12 subpartículas (que forman la materia) y por otras 4 subpartículas (que forman las fuerzas que gobiernan la materia). Pues bien, la teoría de las cuerdas propone que según el modo de vibración de cada cuerda, a nosotros nos parecerá ver un electrón, un quark, como un fotón.o cualquier otra subpartícula o fuerza de las que componen el universo. En los 80 se mejoró la teoría añadiendo la condición matemática llamada supersimetría, introduciendo una correspondencia entre un tipo de subpartículas (fermiones: un tipo de subpartículas materiales) con otro tipo de subpartículas (bosones: un tipo de subpartículas de fuerzas). Para este fin había que introducir una dimensión más que englobara a las otras. Con lo cual, para que la matemática cuadrara había que introducir 11 dimensiones. Por eso a esta nueva teoría se le vino a llamar Teoría de las Supercuerdas. Ufff... sigo...: El problema era que esta idea tenía no una, sino 5 soluciones matemáticas. Existían 5 teorías de supercuerdas posibles compatibles. Posteriormente, los matemáticos consiguieron unificar estas 5 teorías en una que unificara las 5 que llamaron Teoría M. Y ahora viene lo malo resulta que según el criterio de demarcación de Karl Popper se demuestra que esta teoría no es falsable!! Es decir, NUNCA, NUNCA JAMÁS podrá comprobarse mediante la ciencia, es decir, mediante ningún experimento, si esta teoría es verdadera o no. Y si esta afirmación es correcta (y creemos que sí) esta teoría por muy elegante, bella y atractiva que nos parezca no es ciencia sino metafísica, o sea, pura filosofía y yo por mi parte, a una filosofía que me habla de 11 dimensiones lo mejor que puedo hacerla es una grandísimo corte de mangas JUAAAAJAJAJAAJAJAJAJAJAJAAAA Y la otra razón por la que no me gusta la teoría de las Supercuerdas es que me jodería muchiiiiísismo que al final resultara que el Universo tuviera 11 dimensiones y por tanto fuera incomprensible para la humanidad...a ver que dicen los resultados del LHC Pablo Gafo Sanz