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Física de Partículas Elementales

Te presentamos una introducción divulgativa al interesante mundo de las Partículas Elementales:

En la Antigüedad se creía que el mundo estaba formado por la combinación de cuatro elementos fundamentales: agua, tierra, fuego y aire.

Desde los tiempos de Demócrito (400 AC) se ha pensado que la materia se compone de unidades indivisibles (átomos), hipótesis que se mantuvo hasta finales del siglo XIX.

El hecho de que existan distintos tipos de átomos clasificables según sus propiedades químicas (tabla periódica de los elementos) sugiere que éstos no son fundamentales. Además, diversos experimentos desde comienzos del siglo XX fueron indicando que los átomos tienen estructura: un núcleo denso de carga positiva rodeado de una nube de electrones de carga negativa.

Pronto se descubrió que los núcleos están compuestos por protones y neutrones. Hoy sabemos que protones y neutrones tampoco son indivisibles, sino que están compuestos por quarks.

Cada partícula tiene su antipartícula. Ambas tienen la misma masa y cargas opuestas. Cuando se ponen en contacto se aniquilan entre sí. Las partículas del Modelo Estándar son las siguientes.

[Unidades de masa y energía: 1 GeV = 103 MeV = 106 keV = 109 eV = 1.78 × 10-27 kg]

El protón, el neutrón y muchas otras partículas que sienten la interacción fuerte no son elementales sino compuestas de quarks (q) y/o antiquarks (q). A diferencia de las demás partículas, los quarks nunca aparecen aislados, sino que se hallan confinados en el interior de los hadrones por la interacción fuerte. Los quarks u, c, t tienen carga eléctrica 2/3 y d, s, b carga −1/3 . [Unidad de carga e=1.602×10−19 Culombios].

La materia ordinaria está formada por protones, neutrones y electrones. El resto de las partículas se producen en rayos cósmicos o en colisionadores y se desintegran muy rápidamente a partículas más ligeras. Fuera del núcleo el neutrón vive sólo unos 15 minutos en promedio. Se han observado dos tipos de hadrones en la naturaleza: bariones (q1q2q3 ó q1q2q3) y mesones (q1q2).

En las teorías de campos cuánticos (combinación de Mecánica Cuántica y Relatividad) las interacciones se describen mediante el intercambio de partículas mediadoras, los bosones de gauge. Todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a sólo cuatro. Aún no disponemos de una teoría cuántica para la gravedad.

El campo de Higgs ocupa todo el espacio, aún cuando quitemos todo lo que hay en él (vacío). Se piensa que todas las partículas elementales adquieren masa gracias a su interacción con el campo de Higgs. Si este mecanismo es cierto, debe existir al menos un bosón de Higgs (una excitación de este campo).

Rayos cósmicos

En la primera mitad del siglo XX, los rayos cósmicos eran el único laboratorio de física de partículas: una partícula procedente del espacio exterior choca con un núcleo en la atmósfera originando una cascada de partículas secundarias. Así se descubrieron los positrones (antielectrones), muones, piones y kaones. En experimentos de rayos cósmicos se han registrado partículas con energías 100 millones de veces mayores que las que pueden lograr nuestros más potentes aceleradores.


Aceleradores

Los aceleradores utilizan campos eléctricos para aumentar la velocidad y campos magnéticos para guiar y concentrar haces de partículas que actúan como proyectiles, circulando por tubos de alto vacío. En los aceleradores circulares las partículas adquieren en cada vuelta energía adicional. El objetivo es hacerlas colisionar frontalmente en uno o varios puntos de interacción. Las colisiones de alta energía producen multitud de partículas. De hecho, la energía se convierte en materia, según establece la ecuación de Einstein, E = mc2.


Detectores

Los detectores registran lo que sucede en los puntos de interacción. Las diferentes capas del detector miden distintas propiedades de las partículas producidas en las colisiones.

Los detectores de trazas revelan la trayectoria de las partículas resultantes. Los calorímetros miden su energía. Un intenso imán curva las trayectorias de las partículas cargadas eléctricamente, lo que ayuda a indentificarlas. El suceso es reconstruido tridimensionalmente mediante potentes ordenadores, que almacenan también todos los detalles de la colisión.

Se puso en marcha en noviembre de 2009. Es el mayor y más potente acelerador jamás construido. Por él circulan protones. Su principal objetivo es descubrir la pieza clave del mecanismo que da masas a las partículas elementales, el bosón de Higgs. Además, el LHC podría revelar física más allá del Modelo Estándar, como predicen modelos extendidos (supersimetría, dimensiones extra, etc.), desvelar la composición de la materia oscura y descifrar el enigma de la asimetría materia-antimateria. Durante un mes al año se colisionan núcleos de plomo en vez de protones. En los puntos de interacción la temperatura y la densidad de la materia son tan altas que se reproducen por un instante las condiciones del Universo primitivo.

El LHC no es sólo un enorme microscopio que explorará distancias unas diez veces menores que hasta ahora sino también una fantástica máquina del tiempo que nos mostrará cómo era el Universo una millonésima de segundo después del Big Bang.

Es una red de 1600 detectores situados en la Pampa argentina sobre una superficie equivalente a la de París, con 4 detectores de fluorescencia alrededor. Su misión es detectar el paso de las partículas producidas por los rayos cósmicos de muy alta energía.

La física de partículas es ciencia básica, motivada por la curiosidad por conocer la estructura íntima de la materia y las leyes fundamentales de la naturaleza. También tiene aplicaciones, a veces inesperadas.

Comunicaciones y tecnologías de la información

[WorldWideWeb] Se creó en 1989 en el CERN para compartir recursos entre ordenadores por internet mediante el lenguaje de hipertextos (“pinchar con el ratón”). Transferida a la sociedad sin coste, ha sido una gran revolución.

[Grid] Siguiente paso en la conectividad entre ordenadores. Permitirá distribuir información y cálculo. Muchas disciplinas se beneficiarán: meteorología, astrononomía, geofísica, ...

Medicina

[Diagnóstico] Gracias a las técnicas de detección desarrolladas para la física de partículas, se han creado métodos de diagnóstico no agresivos, hoy habituales en los hospitales, como la IRM (Imagen por Resonancia Magnética) y el PET (Tomografía Positrón-Electrón).

[Terapia] La hadronterapia (radioterapia de protones o iones de carbono) tiene ventajas sobre la convencional de rayos X, ya que puede actuar sobre los tumores sin dañar tejido sano.