LAS PARTICULAS. Entrevista con Roland Omnes, profesor de la Universidad París-Sur (Laboratorio de Física teórica y altas energías).

Transcripción

1 LAS PARTICULAS Entrevista con Roland Omnes, profesor de la Universidad París-Sur (Laboratorio de Física teórica y altas energías). Emile Noël: varias ramas de la física se interesan en los constituyentes de la materia. Existe una física específica de las partículas elementales. Cuál es exactamente el campo de esta física? Roland Omnes: La física de las partículas elementales está orientada por dos empresas. La primera consiste en encontrar cuáles son los constituyentes últimos de la materia. Veremos que actualmente se trata de dos categorías de partículas: los quarks y los leptones. La segunda pretende describir las fuerzas que actúan entre esas partículas. De entrada se puede decir muy brevemente, que se conocen cuatro tipos de fuerzas: la gravitación, que describe la caída de los cuerpos; la interacción electromagnética que describe, por ejemplo, la luz y la emisión de radio; las interacciones fuertes, responsables de la cohesión de los núcleos; y las interacciones débiles, responsables de ciertos fenómenos de radiactividad. El campo de estudio de la física de las partículas es, por tanto, considerable. Parece, entre otras cosas, que el acceso a este conocimiento supone técnicas y medios particulares e importantes. Se puede clasificar esas técnicas y esos medios en dos grandes categorías según sean experimentales o teóricos. Primero cabe precisar que el principal método utilizado para explorar el mundo de las partículas consiste en lanzar algunas partículas muy rápidas, muy energéticas sobre otras partículas y en observar lo que emerge, en analizarlo en gran detalle. Este es el principio mismo del experimento de Rutherford que permitió en 1911, conocer la estructura del átomo. Para producir partículas con gran velocidad se necesitan aceleradores. Para mirar lo que sale de la colisión se necesitan detectores. La concepción de los detectores se basa en el hecho de que ciertas partículas cargadas, cuando atraviesan ciertos medios Pueden dejar una huella medible la cual, una vez analizada, permite conocer la velocidad y masa de la partícula, y por consiguiente saber de qué partícula se trata. Estos experimentos, para alcanzar una precisión suficiente, exigen un número muy grande de eventos. Para fijar la escala de los medios necesarios, indiquemos que los aceleradores actuales tienen típicamente dimensiones de varios kilómetros, y que un detector actual típico consiste en un medio de detección tal como una decena de toneladas de hidrógeno líquido cercano a la ebullición, encerrado en una cámara de un millar de toneladas, y que se analizarán por ejemplo, un millón de fotos para un solo experimento. Se obtiene así un número muy grande de datos, cuya selección y análisis requiere un trabajo considerable. Si pasamos ahora a los medios teóricos empleados uno se basa en dos ideas fundamentales: la primera

2 es la mecánica cuántica que se desarrolló precisamente para describir los fenómenos de lo que se llamó por mucho tiempo "lo infinitamente pequeño" la segunda es la relatividad restringida que es necesaria ya que las partículas que se encuentran tienen, la mayoría de las veces, velocidades muy cercanas a la de la luz. Cuando se describen fenómenos que son a la vez cuánticos y relativistas, la conjugación de las ideas conduce a una teoría que se llama naturalmente la mecánica cuántica relativista, o, teoría cuántica de los campos cuyo formalismo matemático es muy elaborado. No le voy a pedir que nos lleve allá. Existe efectivamente una diferencia demasiado grande entre la descripción matemática propiamente dicha y una descripción de carácter intuitivo. A pesar de todo, algunas precisiones usted subrayó la importancia de los experimentos; se movilizan para un solo experimento a muchos físicos? Oh, típicamente, un experimento involucra unos treinta investigadores. Son los detectores esencialmente fotográficos o existen otros medios para detectar los eventos particulares? Son ahora muy variados. Hay experimentos en los que se trabaja sobre fotos de huellas, como por ejemplo en las cámaras de burbujas: pero existen otros en los que se usan contadores de los cuales se mandan directamente las señales a un computador que hace su síntesis De manera general, qué se busca conocer de la partícula: su masa, su carga, su trayectoria, su velocidad? Se trata de identificar las partículas que salen de la zona de interacción, gracias al conocimiento de su masa, de su carga eléctrica, y de saber cuántas de esas partículas salen en una dirección dada. Por ejemplo, Rutherford constató que disparando partículas a sobre el átomo volvían a salir cien veces más en una dirección haciendo un ángulo de un grado respecto a la dirección de incidencia que en una dirección de diez grados. A partir de ahí, se puede deducir que la fuerza de atracción es culómbica y que existe un núcleo puntual en el centro del átomo. En otros términos, esas huellas, una vez analizadas, permiten a los teóricos describir el comportamiento de la materia y, eventualmente incluso detectar nuevas partículas y nuevos comportamientos de las mismas? Sí, cuando el experimentador encuentra una partícula cuya masa no está en las tablas sabe que se trata de una nueva partícula. Y el teórico, interpretando la estadística del

3 experimento puede llegar a conocer la naturaleza de la interacción, la ley de fuerza que origina el fenómeno observado. Y es así como se ha podido describir un cierto número de constituyentes de la materia y las interacciones que los rigen... Si le parece, tomemos eso en orden, empezando por los constituyentes tales como se conocen hoy en día. Le decía de entrada que los constituyentes de la materia, tales como se conocen hoy en día son los leptones y los quarks. Vamos a ver cómo se llegó a ese resultado. Si quiere, comencemos con un átomo que conocemos bien. Ya sabemos que contiene electrones situados alrededor de un núcleo, constituido a su vez de protones y neutrones. Sabemos también que el electrón está ligado al núcleo por una fuerza electromagnética Sabemos finalmente que los protones y los neutrones en el núcleo están ligados por una fuerza nuclear que se llama interacci6n fuerte. La primera distinción que resulta esencial hacer es que existen dos grandes categorías de partículas. De la misma manera como los protones y los neutrones sienten las interacciones fuertes existe todo un conjunto de partículas que, como ellas, sienten las interacciones fuertes y que se llaman hadrones. Y por otra parte, como el electrón, que es completamente insensible a las interacciones fuertes, hay una familia de partículas análogas que no sienten las interacciones fuertes que se llaman leptones. Existen, por tanto, dos grandes familias de partículas, leptones y hadrones, que son respectivamente, la familia del electrón y la del protón y neutrón. Comencemos, si quiere, por los leptones, familia del electrón. Actualmente se conocen seis leptones y seis antileptones y se podrían clasificar cada una. de esas familias de seis en tres subfamilias de dos. La primera de esas familias, la mejor conocida, comprende el electrón propiamente dicho que se conoce desde mucho tiempo atrás y cuya antipartícula, el positrón, habla sido predicha por Dirac y observada por Anderson en En la misma subfamilia se encuentra el neutrino - o más precisamente el neutrino electrónico que había predicho Pauli en 1934, y que se observó en Como un neutrino puede fácilmente atravesar toda la tierra sin sufrir alteraciones se necesitan mucho tiempo y muchos medios para llegar a detectarlo. La segunda subfamilia contiene el muón, descubierto en 1937, y se parece mucho al -electrón (pero que es 200 veces más pesado) y un neutrino - muónico que se parece mucho al neutrino anterior, siendo la -masa de cada uno de los neutrinos nula (o muy pequeña) y su carga eléctrica también nula. Finalmente existe una tercera subfamilia que se descubrió en 1976; comprende una partícula llamada τ o "tau'' (es una partícula muy pesada, 3600 veces la masa del electrón; por tanto más pesada que un protón) y un neutrino también. Los leptones son muy sencillos: cuando se les observa se comportan como simples granos puntuales de materia; son por tanto verdaderas partículas, es decir puntos materiales hasta donde se pueda juzgar.

4 La segunda gran familia de partículas es la de los hadrones. Puede haber parecido muy compleja pero de hecho se ha simplificado mucho de unos anos para acá. Es le recuerdo, la familia del protón y del neutrón, la familia de las partículas que son capaces de sentir interacciones fuertes. El descubrimiento y el estudio de los hadrones han sido la gran empresa de 191 años 1940 a 1970, le descubrió un número muy grande de esas partículas, varias centenas Se constató que, en la medida en que interactúan fuertemente, tenían todas, al contrario de los leptones, una estructura interna: no se comportaban como granos puntuales sino como objetos extensos. Algunas tienen una vida muy larga y quizás infinita, como el protón, otras tienen vidas muy cortas, pero eso, en últimas, no tiene gran importancia. Entonces, en dos palabras, para describirle esta familia, para que sepamos de qué hablamos, digamos que, fuera del protón y del neutrón, está el mesón w, descubierto en También está la familia de las partículas llamadas "extrañas", descubiertas en 1950; así se llamaron porque no se esperaba, entonces, su existencia -Se llamaron por tanto extrañas. Hubo otras partículas casi tan inesperadas, descubiertas a partir de 1975, que ya no se podían llamar extrañas, pero que eran igualmente nuevas y sorprendentes que se llamaron partículas "encantadas" una nueva categoría de partículas se encontró en 1977: su nombre genérico, aún no se ha fijado rigurosamente aunque se les llama a veces partículas "bellas" lo que no es un término muy feliz. Todas esas partículas se distinguen entre sí, por el hecho' de que son portadoras de algunas cargas, lo que vamos a tratar de explicar. Para eso hay que empezar anotando que las interacciones entre las partículas respetan "leyes de conservación". Por ejemplo, cuando se disparan varias partículas, unas contra otras, y se observan las que salen de la colisión, se puede hacer un balance de la carga eléctrica y constatar que la suma de las cargas eléctricas de las partículas que salen es siempre exactamente igual a la suma de las cargas eléctricas de las partículas que entran. Pero, de hecho, la carga eléctrica no es la única cantidad conservada, existen otros números asociados a las partículas, que se llaman, según el caso, la extrañeza, la belleza o el encanto cuya suma se conserva en una reacción. Todo pasa, si se quiere, como si las partículas tuvieran, cada una, una billetera que contenga sumas en divisas distintas, yenes, franco s, dólares, pesos... se disparan las partículas, unas contra otras, hacen intercambios, --hay, otros -que si crean, cada una con su billetera, y cuando se hace el balance uno se da cuenta de que las distintas sumas en yenes, en francos, en dólares, en pesos, de las partículas resultantes son exactamente las mismas que las sumas de las partículas iniciales (a condición, sin embargo, de autorizar valores negativos, pero esto no es una complicación extrema). Esta familia de los hadrones, aparece, por tanto, a primera vista, como muy rica y muy compleja. Esta complejidad no es sino aparente porque se ha simplificado considerablemente gracias al modelo de los quarks. Por el ano 64, precisamente para interpretar las leyes de conservación uno, se dio cuenta que era cómodo imaginar que los hadrones estaban constituidos por partículas más elementales que se llamaron los "quarks" Luego, poco a poco, experimentalmente se constató que todo pasaba como en el experimento de Rutherford como si los hadrones estuvieran efectivamente compuestos de partículas puntuales.

5 Por tanto el modelo de los quarks era más que una comodidad de cálculo, era una realidad física. Actualmente se piensa que existen seis quarks (más seis antiquarks) pero de hecho, solo se ha constatado la existencia de cinco de ellos. Se les dan nombres: P, M, S, C, B y T lo que tal vez, no es muy diciente y se explica por contingencias históricas. Los quarks P, N y S son livianos. El quark C es muy pesado, más pesado que el protón. El quark B, detectado muy recientemente, tiene una masa superior a la de un núcleo de helio. De hecho, se puede hacer la síntesis sobre este punto diciendo que actualmente se piensa que existen esencialmente doce partículas, todas puntuales, que son seis leptones y seis quarks más sus antipartículas. Será todo? Quizás, pero no estamos seguros de eso. La física de las partículas nos ha acostumbrado a un fraccionamiento incesante de las partículas elementales en elementos aún más elementales. Es también el caso de los quarks. Será que la física hoy en día tiene una idea sobre el carácter realmente elemental del quark o se le sospecha ya una subpartícula? Uno puede hacerse esa pregunta y uno, obviamente, se la hizo. Pero parece que está desprovista de sentido actualmente. Una respuesta no parece capaz de resolver nuestros problemas teóricos por una parte, y por otra parte, ningún experimento, que fuéramos capaces de realizar actualmente parece permitir una respuesta a la pregunta. Por tanto, está fuera del dominio del conocimiento. Sí, absolutamente prematura. Sería, pues, hoy en día, una pregunta prematura para la ciencia? Nos encontramos con doce partículas elementales, seis que pertenecen a la familia de los leptones y seis quarks que pertenecen a la familia de los hadrones, pero esas doce partículas sufren interacciones que son bien características de las unas y de las otras. Cuáles son esas interacciones? Vamos a hablar de tres interacciones esenciales que son las interacciones electrodinámicas, las interacciones débiles y las interacciones fuertes dejando de lado la gravitación. Le recuerdo que nos situamos en el marco de las teorías cuánticas relativistas. Se puede establecer - pero desgraciadamente eso implica nociones matemáticas demasiado abstractas para que las pueda describir sencillamente - dos distinciones importantes entre las interacciones matemáticamente concebibles en el marco de las teorías cuánticas y relativistas. Se puede distinguir primero entre lo que se llama interacciones renormalizables y las no renormalizables; las primeras brevemente descritas, aquellas con las que se pueden hacer cálculos; las segundas, que parecen absurdas, que no pueden ser calculables y aún,

6 que no tienen sentido. La segunda distinción separa lo que llamarla teorías geometrizables y las teorías que no lo son y que permanecen puramente algebraicas. Vamos a ver que todas las interacciones conocidas hoy en día parecen entrar en la categoría de las interacciones geometrizables y renormalizables. Es decir, obviamente, interacciones que tienen un sentido, con las cuales se pueden hacer cálculos, y por otra parte, lo que parece más sorprendente, geometrizables, es decir que vuelve a aparecer la vieja idea de que la naturaleza puede describirse en términos geométricos. Consideremos el caso de las interacciones electromagnéticas que fueron por mucho tiempo las mejor conocidas; las leyes que las rigen, las ecuaciones de Maxwell, se conocen desde Estas leyes se volvieron a formular en el marco de la mecánica cuántica relativista. Se constató que esas interacciones las transporta una partícula especial, el fotón, o grano de luz. Es un grano puntual de luz de masa nula. La teoría cuántica del electromagnetismo se conoce hoy día y es a la vez renormalizable y geometrizable. Más recientemente se entendieron las interacciones débiles. Su historia, brevemente recordada, es la siguiente: primero se constató en los años 30 (es un trabajo debido a Fermi) que el alcance de las interacciones débiles es casi nulo, es decir, que no se hacen sentir sino a distancias muy cortas, mientras que las interacciones electromagnéticas se hacen sentir a distancias muy grandes. Son muy poco intensas, de ahí su nombre: interacción débil. Tiene la propiedad de cambiar el carácter de una partícula: un protón por ejemplo se vuelve neutrón En los años 1958 a 1969 se hizo un esfuerzo intenso, a 14 vez en el campo de teoría y en el campo de la experimentación que Permitió desde ese momento conocer 14 forma exacta de las interacciones débiles. Se constata que es una teoría renormalizable de la categoría geometrizable; tiene un agente de intercambio llamado "bosón intermediario", que es por tanto el análogo del fotón, pero que es muy pesado, más o menos 90 veces la masa del protón y por fin, cosa muy notable, las interacciones débiles y electromagnéticas entran en un molde común, son dos facetas de una misma realidad. Son indisociables, son de la misma familia. Se encontró una teoría unitaria, así como Maxwell habla encontrado una teoría unitaria de la óptica y de los fenómenos electromagnéticos. Ahora pasemos a las interacciones fuertes, las que engendran, por ejemplo, las fuerzas nucleares. Hemos visto que las partículas de interacción fuerte están constituidas por quarks. Actualmente parece que el problema esencial sea el entender como los quarks están ligados en el interior de los hadrones y por qué los quarks parecen no encontrarse nunca en estado libre. Es lo que se llama el problema del "confinamiento". Por eliminación entre todas las teorías posibles (hay en últimas un número bastante restringido de ellas) que son incompatibles con el confinamiento, parece que las únicas teorías que puedan explicar el confinamiento, que en suma toleren el confinamiento son nuevamente las interacciones del tipo geometrizable. Tendrían también agentes intermediarios tal como el fotón es el intermediario de las interacciones electromagnéticas o los bosones intermediarios son los de las interacciones débiles. A esos agentes intermediarios se les dio el nombre de "gluones" de una palabra que designa la "goma" entre los quarks. Los gluones no son más observables en estado libre que los quarks, pero se

7 puede tener certeza por algunos experimentos de que se han producido durante un tiempo muy corto, y parece que el gluón ha sido detectado en Todo esto parecería decirnos que estamos muy cerca, o al menos lo pensamos, de una teoría que debería ser estable en los anos venideros, es decir de un conjunto de teorías que se parecen mucho para las distintas interacciones, que son relativamente simples en su formulación. Escribir esas ecuaciones de base no es muy complicado pero hay que decir que nos enfrentamos ahora a un problema matemático extremadamente difícil en el caso de las interacciones fuertes. Este problema es justamente el de resolver esas ecuaciones, Sabemos resolverlas para la electrodinámica, sabemos resolverlas para las interacciones débiles pero en el caso de las interacciones fuertes hay una dificultad considerable y es que no sabemos tratar Al problema del confinamiento Parece que la dificultad es de carácter puramente matemático. No sabemos resolver ese problema, botamos corriente y sin embargo pensamos que tenemos las ecuaciones correctas Así como se conocen las ecuaciones que rigen la mecánica de los fluidos desde el siglo XVIII, pero no se ha logrado todavía resolverlas limpiamente, para ver en ellas la turbulencia. Por tanto se puede decir que la física de las partículas elementales que se dio como finalidad el conocimiento de los constituyentes últimos de la materia y de las interacciones que los rigen está en la buena vía ya que planteó las ecuaciones correctas. Pero para toda esta física quedan todavía preguntas abiertas... Hay todavía un gran número de preguntas abiertas! Hace unos diez años solo hubiera habido preguntas. La física de las partículas elementales se había transcrito por: Constatamos una proliferación de partículas de las que no entendemos la naturaleza; sabemos que existen interacciones pero las describimos muy difícilmente. Actualmente tenemos la impresión fundada en gran número de resultados positivos de que existen pocas partículas y que las interacciones son probablemente conocidas. Pero hay que ser prudente y subrayar bien el "probablemente" especialmente en el caso de las interacciones fuertes. Mientras un problema no esté resuelto completamente y todas las consecuencias de una teoría verificadas experimentalmente, mientras la teoría no haya sido desarrollada a fondo de manera matemática para saber si es coherente, no hay que ser prematuramente afirmativo. Estamos en un punto en que podemos darnos por seguros de que cierto número de resultados esenciales quedarán. Pienso en la existencia de los leptones y de los quarks, pienso en la estructura geometrizable de las interacciones. Esto seguramente está garantizado para el futuro. Faltan, sin embargo, muchas cosas por hacer. Sin embargo se podría formular la pregunta, ya que hemos logrado sintetizar en una sola las interacciones débiles y electromagnéticas; podría sintetizarse todas las interacciones en una sola teoría unitaria?

8 Ya hay una simplificación considerable que se acaba de adquirir en estos últimos anos por lo que si le entiendo bien, las bases funda, mentales de la explicación están puestas? Según nosotros, es decir, según la comunidad entera de los físicos de las partículas elementales, existe hoy en día, indiscutiblemente, un acuerdo unánime sobre esa estructura y sobre la validez esencial de las teorías utilizadas lo que nunca fue el caso en el pasado. Es sin embargo, la historia la que nos dirá si se trata de una certidumbre o de un momento de euforia. La próxima adquisición será necesariamente matemática? Ah! No diré eso, no, no. Obviamente con mi formación de teórico tengo tendencia a conferir a los problemas matemáticos un interés esencial y ese problema del confinamiento es seguramente el problema clave. Pero será resuelto únicamente por medios matemáticos? 0 no podrán algunos resultados experimentales nuevos traernos ideas distintas acerca de los medios de enfoque, nos permitirán tratar ese problema, y quizás darle una forma más amplia en el marco de una síntesis de las interacciones? Esto queda totalmente abierto. Resultaría absurdo y aberrante, hoy en día, decir que estamos en un punto en que podemos prescindir de la experimentación. Jamás la física puede prescindir de la experimentación.