jueves, 1 de octubre de 2009

Las Fuerzas de la Naturaleza: el Devenir

Hola Elementales,



Como todo debe de estar a punto para que comience en pruebas de nuevo el LHC del CERN, la máquina más grande y compleja jamás construida por el ser humano. Vamos a intentar terminar la saga de artículos sobre el estado del arte en el conocimiento del microcosmos. A pesar de lo cual, y como veremos, también tiene profundas implicaciones en el macrocosmos y en objetos que podemos ver, sobre todo en los muy grandes, tales como estrellas, galaxias y el propio Universo.



En las entregas anteriores nos quedamos en la descripción de las partículas del modelo estándard de la Física, ya encontradas y aceptadas: los quarks y los leptones. De ambos se han encontrado 6 partículas, en total 12, que se agrupan en familias de dos miembros de cada, así tenemos:

Primera Familia: quarks up (u) y down (d), leptones: electrón (e-) y neutrino eletrónico (ne).
Segunda Familia: quarks strange (s) y charmed (c), leptones: muón (m-) y su neutrino (nm).
Tercera Familia: quarks bottom (b) y top (t), leptones: tau (t-) y neutrino (nt).

(Sin contar las correspondientes antipartículas...)
Hay una simetría evidente en horizontal y sobre todo en vertical: los quarks u, s y b tienen la misma carga -1/3 e idénticas características y sólo varían en su masa (u es el más ligero y el bottom el más pesado). Igualmente le sucede a los quarks d, s y t, de carga -2/3.

La simetría horizontal es más obvia pero al mismo tiempo más misteriosa: hay el mismo número de leptones que de hadrones y hay una relación entre sus cargas (por algo el protón tiene la misma carga que el electrón hasta donde se ha medido con mucha precisión). Pero desde el punto de vista del modelo standard es sólo una coincidencia, la carga se introduce arbitrariamente"a mano" después de medirla experimentalmente, y muy bien podría ser otra distinta. Igualmente sucede con el número de partículas, que coinciden... veremos más adelante como los modelos teóricos que se postulan como sucesores del estandard tratan de corregir esta carencia.

Pero hasta ahora no hemos dicho casi nada de las fuerzas fundamentales que los "unen" y que explican todas las interacciones entre ellas:

Había 4 fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, y las dos interacciones nucleares la "fuerte" y la "débil". Para Einstein sólo existían las dos primeras (pese a que se hubiera ya descubierto la radiactividad), pero desde los años veinte del siglo XX ya se conocían las cuatro.

En el modelo estandard, realmente ya sólo quedan tres de ellas, porque unifican al electromagnetismo con la fuerza nuclear débil en la llamada fuerza "electrodébil", pero como veremos, a cambio introduce una nueva interacción: el campo de "Higgs" con sus famosas partículas aún no encontradas (último y único eslabón del modelo estandard aún no detectado en laboratorio)., también llamadas "partículas divinas".
A estas cuatro, probablemente también habría que sumar a nivel macroscópico la fuerza que originó la expansión inflaccionaria acelerada que sucedió al Big Bang (se postuló como "inflatón"), que podría ser la misma que ahora actúa en lo que se ha denominado "energía oscura". Pero nos centraremos por ahora en las interacciones microscópicas. La gravedad por el momento queda también fuera ya que al ser tan débil su fuerza es totalmente despreciable entre dos partículas, comparada con las nucleares y el electromagnetismo. Digo por el momento porque a energías mucho mayores (10^18GeV) que las que podemos explorar ahora, o sea, a distancias mucho más pequeñas, próximas a la escala de Plank (10^-33cm) la gravedad puede ser la fuerza dominante en lo muy, muy pequeño, al igual que ahora lo es en lo muy, muy grande (a nivel de planetas, galaxias, etc...). No deja de tener cierto atractivo el que lo muy pequeño y lo muy grande del Universo al final se enlacen y dependan de una única fuerza o principio.

El electromagnetismo:

Es con diferencia la fuerza mejor conocida y la que nos resulta más familiar, ya que es la dominante en la escala a la que nos movemos nosotros. Cada vez que andamos, o un coche se mueve, o un árbol crece demuestra que la electricidad es más fuerte que la gravedad en este tamaño. Desde el tamaño de una montaña (10^3 o 10^4 metros) hasta el tamaño de un átomo (un amstrom 10^-10 metros) es la fuerza más poderosa.

Es responsable de los efectos eléctricos (atracción y repulsión entre objetos cargados), magnéticos: imanes, atracciones y repulsiones entre cargas en movimiento (como corrientes electricas) y la parte más novedosa, que explicó Maxwell, entre campos variantes (un campo eléctrico que varía con el tiempo genera uno magnético y viceversa). De suerte que puede haber un campo que se auto sostiene generando una onda (para sorpresa de todos la luz quedó explicada como un caso particular de este tipo de ondas).
Además de la electricidad, el magnetismo y la luz (y todas los demás tipos de ondas electromagnéticas entre las que podemos citar de menor a mayor energía: ondas de radio, microondas, radiación infraroja, visible, ultravioleta, rayos x y rayos gamma), es responsable de muchos efectos indirectos "menores" tales como ¡toda la química, incluyendo la biología al nivel más fundamental!. Así, la energía química es sólo una manifestación menor de la atracción entre los electrones y el núcleo con cargas opuestas. Incluyendo todo tipo de enlaces y especialmente los de Van der Waals, tan importantes para la vida.

¿Qué es lo que incorpora de novedoso el modelo Estandar en la Electrodinámica Cuántica? la teoría mejor comprobada y más exitosa de la historia (hasta con 20 decimales de exactitud...). Ésta explica el electromagnetismo así:

Una única partícula el "fotón" es la portadora de dicha fuerza. Las interacciones de todo tipo son sólo un intercambio de fotones "virtuales" entre partículas cargadas. Cuando un electrón es atraído por un núcleo sólo intercambia fotones, que portan la diferencia del momento que explica el cambio en su trayectoria y energía. Es como un hilo que tira del electrón formado por un chorro de fotones. Aunque podría ser un único fotón.


El fotón tiene masa en reposo cero: lo que implica que se propaga a la máxima velocidad posible, la de la luz. Su masa cero también implica que el alcance de esta fuerza es ilimitado, se reduce con el cuadrado de la distancia pero nunca se hace cero del todo.


El fotón también tiene carga eléctrica cero. Esto es muy importante, como ya veremos, ya que no se atraen ni interactúan entre ellos, sólo con otras partículas. Así pueden propagarse sin problemas en un haz.


El fotón tiene spin 1, entero, lo que hace que no le afecte el principio de exclusión, así puede haber un número de ellos a priori todo lo grande que se quiera.
Los fotones son de dos tipos: los virtuales o portadores de la fuerza y los reales (que son las ondas electromagnéticas a las que estamos tan acostubrados) como por ejemplo los fotones de la luz visible.


Fuerza nuclear "débil":





Es la responsable de la transmutación, el sueño de los alquimistas: al final resulta que es posible. Es la que produce la desintegración radiactiva tipo "beta" por la que un protón se convierte en un neutrón o viceversa. Se empezó a estudiar por la radiactividad. La primera teoría que explicaba sus efectos se debía a Enrico Fermi, mediante calculo matricial. Pero no era renormalizable, arrojaba resultados absurdos e infinitos en muchos cálculos a priori.


La primera teoría coherente y renormalizable se consiguió sólo al unificarla con la fuerza electromagnética. La idea era de Julian Swinger y la concretó su doctorado Sheldom Glashow (a cambio y para que funcionara Steven Weimber y Abdus Salam introdujeron el campo de Higgs).

Según esta teoría hay una única fuerza, que se manifiesta de formas tan diversas que parecen tres fuerzas distintas (a la temperatura tan fría a la que se encuentra actualmentede nuestro universo y hasta la que hemos podido medir en laboratorio). Pero a energías mucho mayores, a mucha más temperatura, o lo que también es equivalente a distancias muy, muy cortas, mucho menores que el tamaño de un protón) son indistinguibles.


La fuerza la portan tres partículas hermanas: el fotón y los bosones W y Zo .


La fuerza actúa realmente a nivel de quark. Lo que hacen realmente las partículas W y Z es cambian el sabor de los quarks. Así se explica por ejemplo la desintegración beta que cambia un protón en un neutrón, ya que realmente se produce el cambio de un quark Up en uno Down, (en este caso evidentemente hay que portar carga). La teoría predijo efectos nuevos, como corrientes neutras mediante la particula Z no prevista antes, por las que por ejemplo un neutrino puede transferir su energía o gran parte de ella a un electrón, sin cambiarlo en otra cosa.


Los cambios tienen sus reglas, que ya se conocían y ahora se explican. No puede haber cualquier tipo de cambio:


Hay un equivalente a la carga electrica que determina qué partículas interactúan con la fuerza, la podemos llamar carga electrodébil. Los fenómenos siempre parecía que afectaban a 4 partículas: en dos formas: 1 partícula da lugar a 3 (por ejemplo un fermión cargado se desintegraba en otro y en dos particulas más, un neutron en un proton mas un electron más un antineutrino), o bien 2 y 2 (un neutrino chocaba con un electron y se obtenía un nuevo par neutrino más electrón).


Hay un equivalente a la conservación del número bariónico, el isospin electrodebil, en el número del sabor (ejemplo si la extrañeza es 2, la reación la mantiene salvo que la fuerza "débil" cambie la extrañeza en una unidad). En una reacción la extrañeza es igual en ambos lados de la igualdad. Por esto las partículas extrañas son tan "longevas" porque si no actúa la fuerza débil no pueden decaer en ninguna partícula más ligera.

Tal vez la característica más sorprendente es que para la fuerza débil, y hasta donde se sabía, sólo existen los fermiones "zurdos" o levógiros, los que giran en sentido contrario a como habitualmente avanza un tornillo. La fuerza debil no respeta la simetría especular (si miramos en un espejo un electrón zurdo se vuelve diestro y viceversa, el resto de las fuerzas sí respeta esta simetria la débil no). Esto es sólo cierto, tal y como sabemos ahora, para los bosones W cargados. Pero también, sorprendentemente, se encontró que las corrientes neutras no presentan esa peculiaridad e interactúan tanto con fermiones zurdos como diestros. Aqui se atascaron. Hasta que alguien pensó que ya que el electromagnetismo no distingue zurdos de diestros, debía de haber una relación entre ambas fuerzas mediante el boson Z. Con la nueva teoría, el bosón Z y el fotón no pueden existir el uno sin el otro (pese a que el boson Z pese unos 90GeV y el foton cero).


El grupo de simetría Gauge o grupo de aforo de la fuerza débil es el SU2 y al unir el foton los matematicos crearon el U(1)xSU(2) que resulta dar lugar a los 4 bosones predichos W-,W+,Z y El foton. Hablaremos de lo potente y sencillo de la Teoría de Grupos en un tema dedicado sólo a ellos.


Fuerza nuclear fuerte: Cromodinámica cuántica

Como dijimos en el apartado anterior el mundo de los quarks es el mundo del "color".

Hay una carga nueva, como la electrica en el caso de la fuerza electrica, pero aqui se ha denominado de "color". En el mundo no puede haber color aislado, siempre se dan partículas "acromáticas" incluso en periodos increiblemente pequeños de tiempo.


Así las partículas o son mesones, formadas por una partícula que consta de un color y otra con su "anticolor". O bien son bariones formados por tres partículas con tres colores diferentes cada uno y el conjunto resultante no posee color.



La partícula que los une es el "gluón". Que une y actúa únicamente sobre las partículas que poseen carga de color. Los gluones son como si fueran de dos colores. por ejemplo: rojo-verde o rojo-azul o azul-verde. Por combinatoria y teoría de grupos hay realmente 8 tipos distintos de gluones (¿a que os salían 9?).

El Grupo que define la simetría de la fuerza de color es el SU(3).

Al contrario que los fotones, son muy pesados por lo que su radio de alcance es muy, muy corto, típicamente sólo actúan a distancias similares a la del interior del protón (10^-17 metros).
Tienen spin entero y un par de propiedades insólitas:

A distancias muy cortas, esto es a energías muy elevadas, típicas del interior del hadrón, se comporta como si no actuaran en absoluto (a esto se le llama "libertad asintótica").

Pero en cuanto los quarks se intenten separar más allá de cierta distancia empieza a actuar con una fuerza tan colosal que es imposible escapar: la fuerza necesaria para separar dos quarks un metro es similar a la necesaria para elevar una piedra de una tonelada un metro sobre la superficie de nuestro planeta, aproximadamente. ¡Eso es mucha energía entre dos objetos tan pequeños!


La fuerza nuclear que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico resulta al final ser una manifestación menor y pálida de la verdadera fuerza de color que mantiene unidos y confinados a los quarks dentro de cada nucleón (al igual que las fuerzas químicas lo son de la fuerza eléctrica).


Lo cierto es que el enlace posee tanta energía que si se rompe libera suficiente energía como para crear un par de quark y antiquarks. El quark sustituye al extraído y el antiquark se enlaza con el "libre" formando un meson. El resultado es que no podemos obtener quarks libres. Ni partículas con color de forma aislada.

Los gluones sí interactúan entre ellos porque portan a su vez carga de color. Así sólo interactúan con partículas que poseen color, pero ellos mismos también tienen color (una gran diferencia con los fotones que sólo interactúan con partículas con carga eléctrica pero ellos no la poseen). Así tan pronto los emite un quark empezan a interactuar con él y con ellos mismos... formando una cadena de gluones.

Esto también les afecta especialmente en su interacción con el vacío. La carga electrica se apantalla por efecto del vacío cuántico: un electrón real atrae a los positrones virtuales que se forman como pares en el vacío y repele a sus electrones virtuales pareja, el efecto es que la carga que sentimos en un electrón es menor que su carga real.

El efecto en los gluones es el contrario: el vacío quántico incrementa la carga de color de los gluones... aumentando la interacción entre ellos, ya de por sí muy fuerte, en su "cadena pegajosa".

Al ser los Gluones tan pesados influyen en el cálculo de la masa de las partículas. Así la masa del protón es muy superior a la masa de los tres quarks en reposo que lo constituyen, ya que hay que sumar a la masa de los quarks la enorme energía cinética de todos ellos moviéndose en casi completa libertad (que paradoja) dentro de su partícula-prisión. Así al final casi toda la masa de los protones y neutrones es energía cinética de sus constituyentes.


Campo de Higgs:


Para que las fuerzas de unificación electrodébil existan como tales, debe de haber un mecanismo que dota de masa a las partículas. Ya que consigue que los fotones y los bosones W y Z sean indistinguibles y sin masa a partir de cierta energía. Pero a la temperatura ambiente de nuestro universo actual los bosones W y Z pesan entorno a 80 GeV (como 80 protones). Así pues, de todos los mecanismos de rotura espontánea de simetría posibles: teorías Yang-Mills con bosones escalares tipo Goldstone (ya hablaremos de ellos en futuras entradas) y que expliquen el efecto, el más sencillo es el Mecanismo o Campo de Higgs. Se debe a Peter Higgs un brillante físico teórico escocés, quien lo había postulado unos años antes, pero sin ser consciente de que podía ser el ingrediente secreto que le faltaba a la teoría de unificación de la fuerza débil y el electromagnetismo que se había atascado porque no se podía encajar un bosón vectorial sin masa y al mismo tiempo con mucha masa, ¿cómo podía ser que la fuerza electromagnetica tuviera un radio de acción ilimitado y la nuclear débil de tan corto alcance?. Este mecanismo dota de masa a las partículas.


En futuras entradas dedicaremos a la masa un monográfico al menos. ¿qué es? Es normal que no supiéramos contestar a esta pregunta hasta ahora. Fijémonos en que la mayor parte de la masa de la materia que conocemos y de la que estamos hechos está concentrada en el núcleo, en él la mayor parte de la misma hemos visto que es energía cinética de sus constituyentes, otra gran parte es energía de los enlaces que los unen (gluones) y sólo una pequeña parte es materia propiamente dicha: quarks.


El mecanismo parece magia: un campo escalar impregna todo el espacio e interactuándo con él las partículas adquieren masa. Debe de haber al menos 4 tipos de bosones de los cuales al menos uno puede ser "real" y observable en laboratorio. Sabemos los límites de su masa y estamos muy cerca del inferior y podemos llegar a él con máquinas como el LHC del CERN. !Si existe tal cual, lo encontraremos en un plazo inferior a uno o dos años!

El mecanismo es curioso porque todos los sistemas físicos tienden a su nivel de mínima energía posible. Como la materia no carece de masa, el campo de Higgs posee un nivel estable medio por encima del valor cero...


¡Bueno Elementales, ahora sólo falta que enciendan el LHC antes de fin de año!


Saludos

Francisco Jose Menchen

3 comentarios:

JuezyParte dijo...

Muy interesante!

Un abrazo, Justo.

Francisco Jose Menchen Caballero dijo...

¡¡Descubierto el Bosón de Higgs!!
Con fecha 4 de Julio de 2012 el CERN ha anunciado que se ha encontrado un bosón a 126GeV que coincide con la descripción esperada. Aun a falta de poder analizar mejor sus características, se puede concluir que con una probabilidad de 5 sigmas en el detector Atlas del LHC y de 4,9 sigmas en el CMS. El bosón se ha encontrado!!

Tomás P. dijo...

Hola. Me gustaría saber por qué el fotón solo interactúa con partículas cargadas ¿interactúa con las que se encuentra en su trayectoria? ¿Y si se choca con una neutra?

.por qué la energía está cual tiznada? Si yo puedo variar la frecuencia del fotón lo que quiera, puedo obtener cualquier energía, entonces puedo tener fotones de energía que me interese, por lo tanto no cuantizada

Muchas gracias. Un saludo.