Los Quarks!

Hola Elementales,

Pese a ser verano, no vamos a dejar de publicar...

Nos habiamos quedado en la entrada anterior en lo siguiente: el maravilloso y simple modelo de tres particulas: electrones, neutrones y protones junto con el foton, se vino a bajo: se descubrió la antimateria (el positrón), los piones, los muones, etc...

La década de los años cincuenta fue una auténtica explosión demográfica de partículas: primero en los rayos cósmicos y seguidamente en los aceleradores de partículas que se crearon a la sazón: se empezaron a descubrir un auténtico zoo de partículas aparentemente elementales:
partículas extrañas, más mesones, el neutrino muónico...

Vamos a ver unas cuantas:
Mesones: piones(pi-,pio,pi+), kaones (K+, Ko, K-), ...
Bariones: Protones, neutrones, partícula lambda, sigma (+, o, -), cascada o Xi (Xo,X-), ...

Vamos a familiarizarnos antes con las palabras de la jerga de particulas subatomicas y cómo se clasifican:

Una clasificación es:

Fermiones: toda partícula que cumple el principio de exclusión de Pauli.
Bosones: si no cumple el principio de exclusión.

A su vez ambos pueden ser Hadrones (partículas que participan y por tanto, a las que sí afecta la fuerza nuclear fuerte) o No Hadrones (si no les afecta).

Combinando ambos criterios surgen cuatro grupos:


Empezaron a surgir tantas partículas nuevas, y cada vez que se aumentaba la potencia del acelerador con que se creaban surgían más, que se empezaron a preguntar si de verdad eran todas elementales.

Al igual que sucedió en el siglo XIX empezaba a haber demasiados elementos quimicos para ser todos ellos partículas fundamentales. Con Dalton, ... se descubrieron las leyes de la química pero no por que funcionaba así.

Por suerte, apareció Mendeleyev, quien en 1869 concibió la Tabla Periódica de los elementos químicos. La tabla no sólo colocaba todos los elementos conocidos si no que al quedar huecos en ella, además permitía predecir la existencia de nuevos elementos aún no descubiertos: años después se descubrieron el Escandio (1876), el Galio (1875) y el Germanio (1886). Y lo que era más importante aún: predecir qué propiedades tendrían: peso, valencia quimica, etc...

Sin embargo no permitía predecir cuantos grupos había ni por qué. Fué un autentico descubrimiento el primer gas noble en 1894, el neón (de ahí el nombre "el nuevo") que no encajaba en ningún grupo o columna anterior, así se creo una nueva la de los "gases nobles". ¡Nadie había predicho el hueco en la tabla de toda una fila!

Al igual que entonces apareció el genio de mediados del siglo XX: Murray Gell-Mann, quien junto con Yuval Ne`eman, se dieron cuenta de que la nueva jauría de partículas podía ordenarse según una forma de geometría, una especie de tabla periódica. En lo que se llamó la Vía Óctuple: Físicamente sería como un conjunto de grupos a veces de ocho elementos, a veces de diez y donde las propiedades podían deducirse como en el caso de la tabla de elementos químicos de su posición

Ordenando en familias por hadrones del mismo spin, e igualmente para mesones, surgían grupos y subgrupos de diez, ocho, etc... así los hadrones se agrupaban en dedupletes (diez miembros), octetes (ocho), tripletes (tres), dupletes (dos) y singletes (sólo uno)...

El esquema funcionaba tan bien que predecía la existencia de una partícula aún no descubierta así como sus características más importantes (masa en eV, spin, etc...) fué como un reto a los físicos experimentales: Murray la llamó partícula Omega, ya que era la última del grupo. Todos se lanzaron a buscarla ¡y se descubrió al poco en 1964!.

Todo el mundo creía en la VIA OCTUPLE. ¿Pero, por qué funcionaba? Al igual que sucedió con la tabla periódica había demasiados miembros integrantes, y una estructura geométrica sencilla que claramente indicaba un orden o un nivel jerarquico inferior subyacente.

Hablaremos antes un poco de las partículas extrañas, que sólo tenían de extrañas que tardaban en desintegrarse mucho más de lo que predecían las teorias: luego pese a que deberían desintegrase por intermediación de la fuerza fuerte parecía que lo hacían por la fuerza débil... les pareció "extraño".

Murray se dió cuenta de que podíamos definir un nuevo número cuántico al que llamó Extrañeza. Este número se conservaba en todas las interaciones salvo un único tipo de desintegración débil. Pero incluso en ese caso la extrañeza sólo variaba en una unidad cada vez.

De nuevo con unas reglas sencillas podríamos predecir los fenómenos, pero no explicarlos...

Justo cuando se encontraba la partícula Omega (1964) Murray Gell-Man ideó la solución: la llamó Quarks! (el origen del nombre es una simpática cita del James Joyce: "Three quarks for muster Mark").

Efectivamente lo planteó así:

Debía de haber unos constituyentes más pequeños: Al ser los hadrones fermiones y cumplir el principio de exclusión de Pauli, debían estar compuestos a su vez por fermiones y en número impar. El número uno es trivial (sustituimos una partícula por otra... y no arreglamos nada es una identidad) vamos a intentarlo con el número tres:

Hasta entonces sólo se habían encontrado partículas con carga +2, +1, 0 y -1, (nunca por ejemplo -2, ni +3), se sabía pero no podía explicarse.

Por combinatoria divimos entre 3 (el numero de partículas combinadas) la más alta y la más baja: y nos salen cargas de +2/3 y -1/3 las llamó quarks Up (u) +2/3 y Down (d) -1/3.

Sí... ya sé que ofende a la vista la primera vez que se ve una carga fraccionaria, pero dejad que continue...

Las combinaciones que salen son:

uuu +2
uud +1 (protón)
udd 0 (neutrón)
ddd -1


¡Bingo! Ahora ya se explica y demostraba por que sólo salían esas cargas y no otras.

(En la figura un neutrón)

Y para explicar las partículas extrañas necesitaba un tercer ingrediente otro "sabor" para su receta y le llamó "Extraño" (s), del inglés strange, que tenía también carga -1/3 y era más pesado que los otros dos (de masa casi muy parecida, por eso el neutrón pesa casi igual que el protón pero ligeramente más).

Quedaba por aclarar sólo un misterio: ¿cómo podían estar tres partículas de spin 1/2 en el mismo estado cuántico? dos sí pueden apuntando una en una dirección y otra en la contraria (imaginadlas como una pequeña flecha una apuntando hacia arriba y la otra hacia abajo, la tercera debe coincidir o bien hacia arriba o bien hacia abajo).

Esta paradoja se resolvió al explicar cómo funcionaba la fuerza fuerte realmente, ya que ahora lo que une realmente son quarks, y entre ellos y como una manifestación "menor" de su enorme fuerza une a los nucleones: la fuerza fuerte actúa sobre partículas que tienen "carga nuclear". Carga al igual que en el caso del electromagnetismo, pero en vez de dos cargas distintas (que en ese caso se denominaron positiva o negativa, aunque no tienen nada que ver con los signos aritméticos, también lo podíamos haber denominado masculino-femenino o ying-yang....) la carga nuclear es de tres tipos y al igual que en el electromagnetismo sólo se anula cuando se juntan y equilibran todas las distintos tipos de cargas (en este caso tres). Los físicos del siglo XX fueron más imaginativos que los precedentes: ¿qué hay que se anule de tres en tres? El color en la luz, así juntando luz verde, roja y azul obtenemos luz blanca que no posee ningún color a nuestros ojos, es transparente.

Se añadió un nuevo número cuantico: el del color, así pueden coincidir tres quarks a la vez cada uno de un color o si son dos, de un color y su antiquark: un mesón puede formarse a partir de un quark rojo y otro quark antirojo, la suma sigue siendo neutra (en cuanto a carga de color se refiere).

(En la figura un Meson, que consta de un quark y un antiquark que además deben de ser de un color y su anti color, aqui el antiazul es el amarillo _si los mezclas obtienes luz blanca de nuevo...)

No le importa el "sabor" a la fuerza fuerte, es "ciega" a éste, sólo importa el color del quark. Así para la fuerza fuerte un proton es indistinguible de un neutrón.

Por supuesto no tiene nada que ver con el color real (todas son mucho menores que la longitud de onda de la luz visible). A la teoría que explicaremos en la proxima entrega se la llamó Cromodinámica Cuántica (por el paralelismo con la electrodinámica cuantica).

(Arriba en la figura, la predicha particula Omega-, ¡Claro que faltaba! Era la única combinación de los tres primeros quarks aún no encontrada y la más energética ya que consta de tres quarks extraños que es el más pesado de los otros dos).

¿Fácil no? Como todas las ideas geniales un vez explicado todo el mundo se dijo: ¿pero cómo no lo ví yo mismo antes?

Justo por estas fechas ya había indicios por parte de los físicos experimentales, de que los nucleones tenían constituyentes menores. Se habían realizado experimentos apuntando chorros muy energéticos de electrones contra el neutron y el protón, que dibujaban o dejaban entrever unos corpúsculos que giraban aparentemente de forma libre en su interior y a los que se denominó "partones" (que inmediatamente se asociaron a los quarks predichos por los teóricos).
También dejaban claro que el nucleón era un sistema extenso, no era puntual, con un diametro de al menos 10 elevado a la -13 m.

A Murray le faltó sólo una cosa... las teorías se volvían irrenormalizables.. se predecían corrientes neutras de cambio de extrañeza que nadie había observado (no se daban en la naturaleza realmente...) y por esta fecha un doctorado de Julian Swinger, Sheldon Glashow demostró que se necesitaba un cuarto sabor de quarks: lo llamó "Charmed" (c), encantamiento. Según él porque alejaba todo maleficio de la teóría. Carga +2/3 y mucho más pesado que los otros. Aparte de que estéticamente se veía de lejos: un primo gordo del quark down, pedía a gritos otro del quark up.

Sheldon ha sido injustamente olvidado o poco citado, pese a que recibió el premio Nobel de Física en 1979 por su teoría de unificación de la fuerza débil con la lectromagnética, junto con Steven Weinberg y Abdus Salam los cuales le añadieron en 1971 a su teoría (que databa de 19961) el mecanismo de ruptura de simetría con bosones de Goldstone cuyo más simple mecanismo son las partículas de Higgs. No sólo apostó por los quarks, si no que predijo un nuevo cuarto sabor y sus características (carga, masa , spin, etc...). Unificó dos grandes fuerzas, ideó los diagramas renacuajo o pingüino, el mecanismo GIM (Glashow, Iliopoulos, Maiani) y una candidata a Teoría de la Gran Unificación (unificando las fuerzas electrodébil y fuerte).

Algunos años después (1974) se descubrió la primera partícula "encantada" la llamaron J/Shi (que en inglés suena y da lugar a la simpática broma "Gipsy" partícula gitana). Compuesta por un quark encanto y su anti quark. Un "Charmonium" (al igual que el positronium era con un electron y un positron, su antiparticula). Un grupo de investigadores (liderados por Sam Ting) la encontró y la llamó J y otro a la vez la llamó Shi (liderados por Burt Richter), al coincidir y ser la misma se la llamó así JShi. Ambos recibieron el premio Nobel de Física de 1976 por el descubrimiento, que fue crucial: no sólo se confirmaba el cuarto sabor de quark si no que se confirmaba de hecho la teoría de los propios quarks por entonces aún en tela de juicio, pese a la abrumadora acumulación de pruebas y éxitos teóricos. Pero la física es así, si no se puede comprobar ni medir nada, no es física aún, no se diferencia tanto de la metafísica.

Lo que fué un descubrimiento no esperado fué el quinto quark. Al que llamaron "Bottom" (b) (Fondo o Valle y a veces, Belleza).
Así que aunque no se encontró hasta 1991 se postuló inmediatamente la existencia del sexto sabor al que llamaron "Top" (Cima o Cresta)

Si veis en la tabla el salto en la masa veréis por que se tardó una década en encontrar al por ahora último quarks. Hay un salto de 4,2 GeV a casi 175 GeV) unas cuarenta veces más pesado!.

El quark Top es tan pesado casi como un nucleo de oro o plomo. Y se desintegra tan rapidamente que no le da tiempo a formar hadrones

(se espera que gracias a eso igual puede observarse un quark aislado y se acaba de encontrar un Top aislado y solo sin su antiquark hace unos meses y nos hicimos eco en nuestro blog en Noticias del Fermilab).

Colores, sabores... al igual que con la tabla periodica, la teoría funciona pero no podemos predecir un nuevo grupo entero, ni por qué hay tres, ni si hay más. Sólo sabemos que al menos debe haber tres familias, como demostraron desde 1972 los japoneses Kobatashi y Maskawa (premios Nobel de Fisica este año 2009 del que nos hicimos eco con una entrada en nuestro blog en primavera). Demostraron que la ruptura de la simetría CP sólo funciona si hay al menos tres familias de quarks-leptones. Gracias a esas familias que parecen no servir para nada estamos nosotros aqui: si sólo hubiera una única amilia (los quaks u y d y el electrón con su neutrino) toda la materia y la antimateria se habrían aniquilado al comienzo del univeso y no quedaría nada salvo radiación.

Todo nuestro mundo del día a día actual se explica con la primera familia. ¿Por qué se molestó la naturaleza en crear más?, ¿para qué sirven? ¿No parecen de nuevo muchas partículas? ¿Hay algunas partículas por debajo, menores aún?... ¿Qué pensais vosotros? Existieron en condiciones de temperatura y energía tales que sólo se dieron al comienzo del universo... pero puede que ahora también se estén dando constantemente en otras partes en condiciones extremas: como la muerte de una estrella, cercanías o elinterior de objetos masivos como estrellas de neutrones, agujeros negros, etc...

Como curiosidad os comentaré que se han postulado también recientemente las "estrellas extrañas", un siguiente paso en el colapso gravitatorio de un estrella tras su muerte. En este caso la gravedad también aplasta a la estrella de neutrones, cuyo principio de exclusión entre neutrones aguanta hasta cierto peso de la estrella, por encima del cual se creía que colapsaba en un agujero negro. Ahora pensamos que puede haber otro escalón siguiente: una sopa de quarks...constituiría una estado intermedio entre las estrellas de neutrones (con toda la masa de una estrella mucho más pesada que nuestro Sol y un diametro de apenas 30 Kms) y un agujero negro. La estrella de quarks estraños sería un poco más pesada aún y su diámetro algo mayor de 10 Kms!.

Haciendo combinatoria el modelo de la via octuple se organiza en preciosas figuras geometricas.

En la figura se ven todas las combinaciones que incluyen quarks u,d,s,b (que es por donde se esta buscando y comprobando ahora mismo, solo falta comprobar la bbb). Cada piso tiene numero de belleza creciente (b=0, b=1, b=2, b=3). Hay una figura similar para u,d,s,c y ya se han encontrado todas.

Hace unos meses se encontró la partícula "Omega sub b"(ssb), ya os ampliaré la noticia.

(Observar que la base hexagonal con numero cuantico de belleza b=0 es nuestro esquema hexagonal de más arriba de Bariones de spin 1/2 de la via octuple original)

Todo esto son los hadrones, pero los leptones tampoco se quedaron cortos. Se descubrió que el neutrino del muón era distinto del que acompañaba a los electrones. Por si fuera poco, al igual que el quark top, se encontró inesperadamente otro "primo" aún más pesado que el muón y se le llamó "Tau". Inmediatamente se postuló la existencia de su neutrino. Y la imagen de partículas quedó así: tres familias de quarks cada una con su correspondiente famialia leptón (electrón y neutrino, etc...).

TEORIA PROPIA: Yo tengo mis propias ideas: para mí ya hay demasiadas partículas otra vez para ser todas elementales y no podemos predecir su número... pistas que indican un orden inferior (hay elementos más pequeños aún SEGURO!).

Incluso así, ya veremos que las partículas de Higgs dotan de masa a las otras, se ha postulado para explicar que, a mucha energía, el fotón (sin masa) y las W y Z (fuerza debil muy pesadas) sean hermanas, digamos que adquieren masa absorviendo Higgs.

¿A nadie se le ha ocurrido que las distintas familias de quarks sean realmente una única interactuando de distintas formas con el campo Higgs o similar? ¡No me lo puedo creer!

Otra pista es la carga fraccionaria. Sólo indica que es la tercera parte de la del electrón (en el caso de -1/3) o dos veces y de signo contrario (en el caso de 2/3). Pero, ¿Por qué debería ser la carga básica o menor la del electrón? Hasta las energías, esto es las distancias o tamaños, a las que se ha podido prospeccionar en laboratorio, el electrón se comporta como si fuera una partícula sin constituyentes más pequeños (al igual que el quark).

Pero yo me apuesto algo con vosotros elementales: si tomamos como carga elemental la del quark down su carga sería de -1, la del up sería de 2 y la del electrón de -3, ¿no os parece un buena pista de que hay algo más pequeño debajo? Al menos el electrón consta de 3 de ellos. Y el quark al menos de 2, pero como hemos dicho que es un fermion debe tener un número impar... Aparente paradoja. Hay que descubrir un nuevo orden inferior, y probablemente con reglas nuevas (como sucedió cuando se descendió a distancias inferiores al átomo y aparecieron las reglas del mecánica cuantica, tan aparentemente alejadas del sentido común).

Según mi teoría los tres quarks con carga +2/3 (u,c,t) son el mismo! Pero han adquirido distinta masa al interactuar a distinta energía con las Higgs. Idem para los de carga-1/3 (d,s,b) se trata del mismo, no de tres distintos! Lo mismo les debe suceder a los tres leptones (electrón, muón y tau) deben ser el mismo. Y a los tres neutrinos: que son el mismo! (de hecho ya hay pruebas de que cambian de sabor entre ellos en su camino desde el Sol hasta nosotros). Sólo hay que definir mejor y ampliar el mecanismo de Higgs o alguno similar.

En nuestra próxima entrega continuaremos con el modelo standard del que nos faltan aún las fuerzas y todo lo demás para que "funcione", y seguiremos con las propuestas para más allá del modelo y qué queda por comprobar del mismo, ver si se va cumpliendo..., qué sorpresas se han encontrado ya, y cuáles nos encantaría encontrar.

Un saludo Elementales

Francisco Menchen

Tu Blog en mi Blog

Hola Elementales,

Es un honor para nuestro humilde blog, que se hayan fijado en él desde el portal Tu Blog en mi Blog.

Una iniciativa muy original e interesante. Se trata de una especie de punto de encuentro para gente con inquietudes, un portal de portales, que es a los blogs lo que un gran centro comercial a las tiendas: un ágora virtual, donde pasear ver, cambiar impresiones, etc... con otras personas.

Desde Elemens trataremos de contribuir y animar a este lugar tan estimulante, donde las ideas chisporrotean en el aire.

El link es: http://www.tublogenmiblog.blogspot.com/

Un saludo desde Elemens

Fran Menchen

75 años del descubrimiento de Las Piones de Yukawa

Hola Elementales!

Vamos a empezar la primera de una serie de entradas donde vamos a explicar el "estado del arte" en el conocimiento sobre los ladrillos más pequeños que se han descubierto y las fuerzas que los interrelacionan. En definitiva se trata de la pregunta más antigua del hombre ¿de qué estamos hechos nosotros y todo lo que nos rodea? ¿cómo funciona todo esto?. Es una pregunta ambiciosa, así que iremos pasito a pasito, y sobre todo disfrutando del paseo. ¿Os apetece acompañarnos?.

No sé vosotros, pero el nivel de conocimiento en la enseñanza secundaria e incluso en la Universidad, salvo alguna carrera como Física o Ingenieria Industrial rama de energía-nuclear, nos decía que el mundo estaba hecho de átomos. La tabla periódica tenía ciento y pico elementos (no estaba claro el pico, a veces se hablaba de 105, 107, a veces de 109 elementos, ahora ya hemos creado hasta el elemento 112).

Según el modelo atómico descubierto por Ernest Rutherford, los átomos son como un pequeño sistema solar, donde casi toda la masa del mismo se encuentra ubicada en un pequeñísimo "núcleo" y alrededor hay una especie de nube o pelusa, compuesta de electrones que orbitan alrededor (como si fueran los planetas).

El tamaño del núcleo es unas 100.000 veces más pequeño que el del atomo. Así, la materia y todo lo que vemos está básicamente "hueco". Aquí nuestra intuición nos falla: al tocar una pared o coger una bola de hierro nos parecen muy sólidas, pero en verdad deberíamos poder atravesarlas sin problemas, si no fuera porque los electrones de mis dedos repelen con mucha fuerza a los electrones de lo que toco (como la pared) y me dan esa falsa impresión de espacio lleno de cuerpos rígidos en el que nos deselvolvemos.

El electrón es la primera partícula elemental que se descubrió, y hasta ahora y hasta donde hemos descubierto sigue siendo elemental, no está constituida por nada más pequeño o sencillo.

El núcleo era un pequeño misterio. Al principio se pensó que estaba constituido por protones y electrones ¿cómo si no se conseguía que los protones no se repelieran?.

Finalmente Rutherford postuló que estaba constituido por protones y otras partículas que pesarían como los protones, pero sin carga: los neutrones. Éstos últimos también tardaron en descubrirse. Al final James Chadwick un ayudante de Rutherford lo descubrió en 1932.

Así teníamos un modelo sencillo y muy elegante. Todo estaba constituido por tres partículas: protones, neutrones y electrones, y la fuerza electromagnética la trasportaba el fotón: una partícula sin masa. Un modelo casi tan bonito como el aristotélico: 4 elementos para describirlo todo.

La cosa no podía durar: no se explicaba ni siquiera efectos que ya se conocían muy bien entonces. Si el núcleo estaba constituido por protones con carga positiva igual a la del electrón y neutrones, ¿qué mantenía entonces unido al núcleo? porque la fuerza de repulsión que ejercen las cargas de los protones, dada su masa, es enorme a una distancia como a la que se encuentran si los acercas hasta tocarse tal y como están en el núcleo, muy apiñados.

Otra de las cosas que no tenían explicación era ésta: de acuerdo con las ecuaciones de Maxell (que tan bien habían funcionado unificado la electricidad, el magnetismo y la luz, prediciendo la existencia de ondas electromagnéticas y descubriendo de paso que la luz era un caso particular de ellas) los electrones, al girar entorno al núcleo, deberían radiar energía en forma de dichas ondas. Lo que produciría que al final deberían ir perdiendo energía y terminarían "cayendo al nucleo". ¿Entonces, por qué no se caían al nucleo? ¿por que no se desintegraba el núcleo? Podíamos describir empíricamente al átomo pero no sabíamos cómo funcionaba.

En las primeras décadas del siglo XX se descubrieron las leyes que regían este microcosmos: la mecánica cuántica. Tal vez el mayor avance fue considerar las partículas como ondas empaquetadas. La famosa dualidad "onda-corpúsculo". Los seres que habitan este mundo subatómico a veces se comportan como una partículas, y pueden por ejemplo chocar, y a veces se comportan como ondas, y pueden por ejemplo producir interferencias o difracciones. Nuestro sentido común fallaba aquí, acostumbrado nuestro mundo macrospópico. Realmente no son ni lo uno ni lo otro, si no algo intermedio... ya dedicaremos una entrada a la mecánica cuántica.

La ecuación de Schrodingër (autentica obra cumbre de la mecánica cuántica) describía al electrón con una "función de onda" y explicaba muy bien todas las leyes conocidas de la química. Volveremos sobre esto....

Sin embargo aún había lagunas: Pauli mejoró la ecuación para tener en cuenta algunos de los efectos de su propio campo magnetico.

Paul Dirac dió un espectacular avance: Revisó las ecuaciones de la física cuantica para hacerlas compatibles con la Relatividad Especial, para tener en cuenta los efectos relativistas cuando el electrón se acelera hasta velocidades próximas a la de la luz (cosa que ocurre muy fácilmente si observais su masa tan pequeña ... con unos pocos voltios...). Consiguiendo algo que entonces parecía imposible: la ecuación de Schrodinger no era simetrica con respecto al tiempo y a las tres coordenadas espaciales, condición exigida por la Relatividad (a parte de que no eran lineales, había terminos de segundo orden...). Dirac concibió una nueva ecuación genial, consiguió el Eureka!

La ecuación de Dirac es una de las más "bellas" de la física, es una de esas obras de las que se enamora su creador-descubridor. La pongo aquí para que veáis que no es tan compleja como podía esperarse, al revés parece sencilla y elegante (teniendo en cuenta que resume y unifica a la vez mecánica cuántica y relativista).

Lo más sorprendente es que se obtenían dos soluciones: una la que estaba buscando, la del electrón, y otra totalmente inesperada y aparentemente sin sentido físico, ya que tenía energía negativa! Dirac se dió cuenta enseguida de que ésto suponía que el espacio ya no estaría vacío, si no lleno de algo así como un mar de burbujas de energía negativa. Y si otra partícula energética (un fotón por ejemplo) chocara con una de estas burbujas, crearía un "hueco" en este mar que se comprotaría tal y como si fuera un electrón con carga positiva: un "positrón". Es curioso que desde el punto de vista de la simetría un positrón es algo así como un electrón que retrocede en el tiempo....

En menos de dos años se encontró al positrón y se acababa de descubrir la "antimateria". Dirac recibió por ello el premio nóvel de física en 1933 (compartiéndolo con Schrodinger).

Todos los verdaderos avances en física son así: no sólo se explica bien todos los datos, experimentos y efectos conocidos, si no que además permiten predecir e idear nuevos efectos y experimentos no observados o sospechados hasta la fecha.

En este caso, lo que no esperaba Dirac era las propiedades de la antimateria. Aparentemente es igual que la materia ordinaria pero con la carga eléctrica opuesta. Pero como es de energía negativa si se encuentra una antipartícula con su partícula ordinaria, se aniquilarán mutua e instantáneamente en un estallido de pura energía, (todo se convertirá en fotones gamma por ejemplo).

Es el mecanismo más eficiente posible para convertir materia en energía: el 100%. Según la formula E=mc2 onde c es la velocidad de la luz 300.000 km/s y m la masa. Una cantidad insignificante de materia se puede convertir en una cantidad gigantesca de energía: 1g de materia almacena mil millones de Julios de energía... (en la serie de ficción Star Treck, la nave funcionaba con un motor de antimateria...)

Es una pena que no haya antimateria en el Universo, hasta donde hemos podido comprobar. Sólo hay pequeñas cantidades procedentes de reacciones nucleares, como por ejemplo en la modalidad de desintegración Beta donde se emite un positrón y un neutrino (proton -> neutron + positron +neutrino)... Pero no hay antiátomos en la naturaleza. Hemos creado antiátomos en el laboratorio pero en cantidades ínfimas: entorno a cientos de ellos. Para hacer un gramo se necesitan del orden de 10 elevado a 24 átomos. Así, un gramo de antimateria sería más peligroso que todas las bombas atómicas del planeta. Desde un punto de vista positivo la antimateria sería tremendamente útil para resolver el problema energético. Hay novelas de ciencia ficción donde un meteorito de antimateria cae a la Tierra, o lo capturan, y de este modo se arregla el problema energético de la Tierra para siempre: energía gratis e ilimitada para todos...

Aún faltaban por resolver los infinitos que surgían por alguna parte y perfilar bien los efectos magnéticos del electrón: éste se comporta como un pequeño imán. Calcular el valor de su campo desafiaba la ecuación de Dirac, ya que se influye a sí mismo, se autoinduce.

Julian Swinger y Richard Feynman arreglaron las ecuaciones para coincidir con los experimentos hasta con 20 decimales! No hay teoría mejor comprobada. Debería estar en el libro Guiness de los Records. El proceso es la famosa renormalización y a la teoría resultante se la llamó "Electro dimámica cuántica" (QED en inglés). Es probablemente la mayor contribución al conocimiento humano desde los tiempos de Galileo y Newton. Es la culminación de un proceso, todo un edificio de conocimiento que empezó con los alquimistas, Dalton, Amper, Coulomb, Maxell, Heisemberg, Schrodinger,... Y funciona tan bién que explica totalmente nuestro mundo macroscópico: las reglas químicas y las de la biología quedaban explicadas totalmente de un modo fundamental.

A pesar de eso la quimica no está agotada, aún queda mucho que descubrir: todos los días se descubren nuevos materiales que nos hacen la vida más sencilla y cómoda, por no hablar de la biología. Sin embargo el problema fundamental está resuelto. Un día hablaremos de cómo a partir de reglas muy sencillas como las del electromagnetismo, surge algo tan complejo como un ser vivo, por ejemplo un árbol... esta complejidad emergente no es a priori predecible, actualmente no podríamos viendo la ecuación de Coulomb.

Poco después en 1934, precisamente se cumplen ahora 75 años, el físico japonés Hideki Yukawa tuvo una idea genial: se dió cuenta de que la masa de una partícula se podía asociar con el radio de acción de una fuerza que intermediara.

Por ejemplo el fotón no tiene masa y por eso el radio de acción de las fuerzas electro-magnéticas es ilimitado: disminuye con el cuadrado de la distancia, pero nunca se anula.

Si la gravedad la intermedia una partícula, el "gravitón", no debe tener masa porque su radio de acción es infinito.

En cambio la fuerza nuclear, pese a ser millones de veces más fuerte que la electromagnética, sólo actúa a distancias menores incluso que el tamaño del átomo, a distancias parecidas a la del propio protón. Podemos imaginarla como unos pequeños ganchos, fortísimos.

Así, postuló una supuesta partícula que podría explicar la fuerza que cohesiona al núcleo: se la llamó inicialmente Yukón en su honor, pero como hay un provincia de Canadá que se llama igual, al final le llamaron Pión.

El pión sería una partícula muy pesada (para la época), como una septima parte que un protón y unas doscientas veces más pesada que el electrón. El intercambio de partículas virtuales mantendría unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo. Interactuarían de foma similar a como lo hacen los fotones con los electrones en la electrodinámica cuántica.

En la imagen, un protón está unido a un neutrón intercambiando un pión (el conjunto sería un deuterón, el nucleo del isotopo pesado de hidrógeno el deuterio).

Al contrario de lo que sucedió con el positrón, se tardó bastante tiempo pero al final se encontraron los famosos piones, casi dos décadas después, en al desintegración en la alta atmósfera de protones por el choque de rayos cósmicos (partículas muy rápidas que proceden en su mayoría del viento Solar o del espacio profundo, y están constituidos principalmente por protones).

Un equipo de investigadores a finales de los años 40 subieron a una estación en Chile a 5.000 metros de altura y descubrieron dos partículas nuevas: primero el Muón. Ese primo gordo y pesado del electrón tan fundamental como él, no forma parte de la materia ordinaria, es inestable y se desintegra enseguida. Al tener una masa similar a la de la partícula predicha por Yukawa se pensó que era ésta. Fue una falsa alarma.

Un equipo de físicos italianos demostró no podía ser ya que no interactuaba con el nucleo.

Lo anecdótico fue que nuestro pión, que sí se encontró finalmente, se desintegraba rápidamente precisamente en los muones encontrados.

Yukawa recibió merecidamente el premio Nóbel de Física en 1949.

Había 3 tipos de piones: pi-, piº y pi+ de masa muy parecidas pero ligeramente distintas. La explicación no era compleja: si interactuaban dos protones o dos neutrones entre sí, intercambian un pión neutro. Si interactúa un protón con un neutrón: un pión positivo y así...

NOTA: Aunque al preguntar a los físcos de partículas para qué sirven o que aplicación pueden tener todas las nuevas partículas que se están descubriendo, la respuesta suele ser: "para nada en absoluto". Lo cierto es que los positrones ya se utilizan en medicina en la Tomografía de Positrones (mucho mejor que las resonancias y las radiografías). Y por fín ya hay al menos una apliación para los piones y los muones: Como muchos de ellos llegan a la superficie de la Tierra e incluso penetran bien dentro bajo tierra, se han utilizado en arqueología para conseguir imágenes y descubrir cámaras secretas en complejos de ruinas en Templos y Pirámides Mayas, etc.. poniendo detectores de ellos subterráneos.

Resumiendo: por los años 50 teníamos ya descubiertas 7 partículas: protones, neutrones, electrones, neutrinos (solo postulados pero ampliamente aceptada su existencia), muones, piones y fotones, el positrón (y supuestamente las todas las otras antipartículas respectivas). No era un modelo tan bonito como el de antes pero aún era aceptable.

Todo esto cambió con el descubrimiento de las partículas "extrañas" también en los rayos cósmicos y a continuación sucedió una explosión demográfica de partículas "elementales"... con la puesta en marcha de los primeros aceleradores de partículas: y esta vez nadie las había "pedido". Nadie había pronosticado su existencia (al igual que sucedió en el caso del muón).

(continuara...)

Un saludo Elementales

Francisco Menchen

PD Hoy sabemos que los piones son una partícula compuesta por dos quarks: un quark y un antiquark (un mesón, el más ligero de todos ellos).

Particiones del Número N... Ramanujan

Hola Elementales,

Ya que la entrada anterior mencionamos brevemente a Ramanujan como un verdadero "genio" en el sentido clásico o intuitivo del término: de pequeños creemos que los genios son así: gente que se despierta con la solución a un problema complejo de manera intuitiva y natural. En la inmensa mayoría de los casos, por el contrario, esa "inspiración" sólo acude al que la llevaba buscando y trabajando con mucho esfuerzo durante años.

Creo que el ejemplo de la sucesión numérica de las particiones del número n, es muy ilustrativo:

Número (N): 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, ...

Particiones (P): 1, 2, 3, 5, 7, 11, 15, 22, 30, 42, 56, 77, 101, 135, 176, ...

¿Sabe alguien ver el término general? Sn= ?

La sucesión parece un tanto caprichosa y se forma a partir de un enunciado de lo más sencillo e ingenuo, de un juego casi de niños...

"si tengo un conjunto de elementos iguales, digamos por ejemplo un número n de piedrecitas, ¿de cúantas formas distintas puedo agruparlas en montoncitos sin que sobre ninguna"

Así por ejemplo:

n=1, es trivial un montón de una piedra.

n=2

Si tengo dos piedras sólo tengo dos posibilidades: o juntas en un único montón o en dos montones de una piedra cada uno.

n=3

Si tengo 3 piedras, tengo 3 posibilidades: un monton de tres, dos montones de dos y una o tres montones de una única piedra cada uno.

Hasta ahora es fácil, ¿verdad?

n=4

1 montón de 4 piedras: (4)

2 posibilidades de 2 montones con (1,3), o con (2,2)

1 posibilidad de 3 montones: (2,1,1)

1 posibilidad de 4 montones: (1,1,1,1)

P=5

n=5

1 posibilidad de 1 montón (de 5 piedras).

2 posibilidades de 2 montones: (1,4) y (2,3)

2 posibilidades de 3 montones: (3,1,1) y (1,2,2)

1 posibilidad de 4 montones: (2,1,1,1)

1 posibilidad de 5 montones: (1,1,1,1,1)

P=7

Para los que piensen que se exagera un poco con eso de que este genial Matematico literalmente se sacaba de la manga una fórmula increíblemente compleja y larga y nadie sabía de dónde ni cómo había llegado allí. Os pongo un simple ejemplo:

Esta es la formulita con la que desayunaron una mañana Hardy y Litlewood conforma se le había ocurrido esa noche a Ramanujan, como aproximación a la sucesión de las particiones de números, por aquel entonces aún sin solución. Por supuesto esa fórmula no tenía resultados enteros, sino que daba como solución el entero más próximo y luego había que redondear.

Esta es una aproximación a la misma publicada por Hardy-Litlewood-Ramanujan

El problema de la partición de números tiene importantes aplicaciones en combinatoria moderna. La fórmula general se encontró recientemente y era uno de los problemas clásicos abiertos de la matemática. Una de las aplicaciones donde se precisaba era para calcular estados cuánticos y sus probabilidades en sistemas donde los electrones se pudieran agrupar de multiples formas (en montoncitos) en sistemas tales como átomos gigantes (tipicamente radiactivos) o sistemas mayores aún (moleculas, estado solido...)

Nota: Ilustración por cortesía de Wikipedia. Diagramas de Young mostrando el número de particiones de los enteros del 1 al 8. Se asignan diferentes colores a cada entero. Por ejemplo, en verde, observamos que hay 5 particiones de 4

Ramanujan era un experto aficionado a las fracciones continuas. Esta fórmula que las emplea es una de las más "bellas" de todas las matemáticas. Es inusualmente sencillita para lo que acostumbraba, pero es una de mis favoritas:

Una suma de terminos cuyo término enésimo es muy sencillo y consta sólo de números naturales y al otro lado la raiz del producto de los números "e" por pi medios...

Todo un "genio" Ramanujan. Fue una auténtica pena que muriera tan jóven... quien sabe lo que hubiera podido legarnos de haber continuado durante toda una larga vida.

¿Conocéis la película de Blade Runner? El famoso diálogo donde el creador del replicante (un hombre sintético creado por ingeniería genética y fabricado en un hipotético mundo del futuro, donde el dilema moral es determinar si es o no un ser humano y si tiene o no derechos...), le dice que "él ha brillado con una luz de mucha más intensidad que la del resto de los hombres y por eso su vida sería mucho más corta". Creo que es muy apropiado para Ramanujan.

Un saludo Elementales

Francisco Jose Menchen Caballero

¿Series Divergentes?

¡Hola Elementales!

En el mes de Abril la revista Investigacion y Ciencia traía un artículo sobre el Efecto Casimir, cuyo nombre se debe al físico Holandés Hendrik B.G. Casimir, quien predijo el efecto que ahora lleva su numbre. Sólo se puede apreciar a escalas nanometricas.

Consiste en una manifestación observable de "la energía del vacío" o de la "fluctuación cuántica del vacío". Se manifiesta como una atracción (o repulsión) de dos placas metálicas paralelas y separadas entre sí una distancia muy pequeña (típicamente nanométros) comparada con el tamaño de las mismas (las consideraremos lo suficientemente grandes para considerar que los efectos en sus bordes son despreciables).

El vacío, según la mecánica cuántica no está tan vacío, y en él se están produciendo constantemente pares de partículas y antipartículas, de periodos de vida muy cortos, ya que rápidamente se aniquilan mutuamente o con otras cercanas de una forma continua: se crean y destruyen y en promedio siempre hay un cierto número de ellas, en un número que va decreciendo con la frecuencia (energía) asociada a las mismas. Así las de alta energía y por tanto mayor frecuencia son más infrecuentes y su número escasea.

En principio el efecto viene a ser como las ondas estacionarias en una cuerda tensa, como por ejemplo de una guitarra, donde al imponer condiciones de contorno (los dos extremos de la misma no pueden oscilar porque están fijos). Así sólo terminan propagándose ondas de una longitud de onda igual a la mitad de la longitud de la cuerda y todos sus múltiplos o armónicos(todas las que empiecen y terminen, "quepan" exactamente entre ambos puntos).

Este mismo efecto se produce con las partículas que se van generando en el vacío, con la frecuencia y su longitud de onda asociada, se van primando unas sobre otras y al final hay algunas que se van anulando hasta que sólo quedan determinadas al imponer las placas una condiciones que limitan al vacío, produciendo un efecto de atracción entre las placas que se ha medido tal y como se predijo. Parecía una curiosidad y ahora hay que tenerlo en cuenta, en los nuevos diseños de nanodispositivos y chips.

Lo más interesante del artículo era que manifestaba la dificultad matemática de la mecanica cuántica en general, y en este efecto en partícular, para obtener el resultado de sumas y series infinitas, aparentemente divergentes: como el efecto de la suma de infinitos armónicos de frecuencia creciente, y por tanto de resultado infinito en su cálculo, pero que al medir en el laboratorio producían en cambio resultados finitos y perfectamente medibles.

Por ejemplo: la serie Sn= - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 + .... ¿alguien ve si tiende a algo?

Es curioso porque parece que depende de si empezamos en 1 o en -1. Esta serie nos da mucho juego y es peligrosa de usar: todas las series que no sean absolutamente convergentes (según los criterios de Dirichlet http://es.wikipedia.org/wiki/Dirichlet) pueden dar valores distintos o absurdos dependiendo de cómo agrupemos términos o en qué orden se sumen parcialmente.

Euler y muchos otros se interesaron por ellas e idearon algún método para abordarlas.

En esta de nuestro ejemplo iremos con mucho cuidado y veremos a donde llegamos:

Tras el primer -1 el resto de la serie es la propia serie cambianda de signo, o sea que podríamos escribirla así:

Sn = -1 -(-1+1-1+1-1+1-1+...);

Sn = -1 - Sn;

2Sn = -1;

Sn = -1/2;

Que coincide con la solución que se precisa para justificar los resultados experimentales: -1/2.

¿No os parece sorprendente?

Este problema de la física cuántica se denomina "renormalización" y consiste en todo un conjunto de reglas o "trucos", según sus detractores, para "eliminar" la enorme cantidad de "molestos infinitos" que aparecen sin cesar en los cálculos.

Uno de estos métodos es efectuar los cálculos siguiente estrictamente un orden muy concreto: el de los famosos diagramas de Feynman http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Feynman. Al principio parecían sólo una manera muy didáctica de representar interacciones entre partículas y finalmente resultaron muy útiles para "dirigir" los cálculos. Si se hacían los mismos en el orden adecuado siguiendo dichos diagramas se obtenían resultados finitos, en otro orden no.

Otra forma fascinante de conseguir resultados finitos es ¡Usando la Función Zeta de Riemann! la que él empleó para determinar la cantidad y distribución de los números primos. En concreto la expresión que él extendió a todo el plano complejo (salvo en S=1, que es donde se hace infinita).

C(1)= 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + 1/5 + ... la famosa serie armónica, que es divergente

C(2)= serie de la inversa de los cuadrados (el Problema de Basilea) = pi^2/6

C(3)=1,202... (serie de la inversa de los cubos) = constante de Apéry

...

En el semiplano de valor real negativo, y para valores enteros tenemos que:

C(0)=-1/2 ¿os suena?

C(-1)=1+2+3+4+5+.... que aparentemente debería tender a infinito, pero

C(-1)=-1/12 según la sumación de Ramanujan .

De este genial matemático de origen Indio Srinivasa Ramanujan, descubierto por Hardy, hablaremos monográficamente en otra entrada. En sus escritos enigmáticos que envió para que los revisara Hardy a Cambridge (UK) podía leerse entre otras muchas cosas:

1+2+3+4+5+...=-1/12

Él entendía las matemáticas como reveladas por inspiración divina y decía que una diosa indú se las comunicaba en sueños... ha habido pocos matemáticos como él en todos los sentidos (era capaz de escribir de memoria fórmulas sorprendentes de tamaño increíble como si alguien se las dictara al oído y nadie más sabía de dónde procedían ni por qué camino llegaba a ellas). Por desgracia murió muy jóven (el clima y la comida Inglesas le hicieron enfermar de forma fatal).

Hoy se escribe así en su nombre: 1+2+3+4+5+...=-1/12(R) que significa sumación de Ramanujan, para distinguirla de la suma normal.

Tenemos pues que la función Zeta de Riemann se usa explicitamente en los cálculos del Efecto Casimir. ¿es una coincidencia? También la sumación de Ramanujan (que surgió igualmente para Teoría de Números). Y los misteriosos números de Bernoulli!, que son de hecho valores de función zeta para enteros negativos. B1=-1/2 (Euler los relacionó en una formula con dicha función, os debo una entrada dedicada a ellos).

Como veis las coincidencias entre la matemática más básica, como Teoría de Números (y los números primos) y el Mundo Físico en su escala más elemental son sorprendentes (al menos a mí me lo parece) y están íntimamente relacionados.

¿De nuevo os parece una coincidencia? Al igual que le sucede a los números Pi o e (y en este caso también Phi la constante de Euler-Mascheroni) que aparecen constantemente por todas partes en matemáticas y física.

¿Conoce alguien alguna otra serie aparentemente divergente pero con resultado finito?

O alguna otra curiosidad. Que se anime y lo cuentee o lo planteé.

Un saludo Elementales!

Los Neutrinos

Hola Elementales,

Dedicaremos la entrada de hoy a las partículas más misteriosas de todas las que se han descubierto: Los Neutrinos.

Se están poniendo en marcha, justo ahora, dos de los proyectos más ambiciosos para estudiarlos: el proyecto T2K (Tokai to Kamioka) en Japón, el proyecto NOvA (NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance) en USA. Junto con el proyecto Ice Cube, en La Antártida para seguir los neutrinos que proceden del espacio, y el SuperKamiokande, hacen que los neutrinos estén más de moda que nunca.

El neutrino se postuló en 1930 por el genial Wolfgang Pauli como la solución para que no se violara el principio de conservación de la energía (en el que se creía y aún hoy se cree firmemente): aunque no fuéramos capaces de observarla, debía de haber una partícula neutra que se llevaba parte de la energía y del momento lineal, en la desintegraión Beta (proceso de desintegración radiativa donde un neutrón se convierte en un protón y se emite un electrón a muy alta energía, y hoy sabemos que además un antineutrino, tal y como acertadamente predijo Pauli).

La partícula postulada, hoy llamada neutrino (en italiano neutro-pequeño) es un leptón (de la misma familia que el electrón), y como tal no le afecta la fuerza nuclear fuerte. Sin carga eléctrica, luego tampoco le afecta la interacción eléctromagnética. Y, se creía que, sin masa en reposo, como el fotón. Hoy sabemos que sí tienen una masa muy, muy pequeña, pero no nula. Y de spin 1/2.

Como un neutrino, casi únicamente sólo interactúa a través de la fuerza nuclear débil, y sólo a distancias inferiores al radio de un protón, puede atravesar la materia como si ésta no estuviera: ¡uno de ellos podría atravesar un bloque de acero de un año luz de largo para tener alguna probabilidad significativa de trasformar un protón en un neutrón, por ejemplo, tras chocar con él!

A nosotros mismos, en este momento, nos están atravesando miles de millones de neutrinos cada segundo procedentes del Sol. Que a continuación prosiguen su camino y atraviesan la Tierra de lado a lado como si tampoco estuviera... ¡son como verdaderos fantasmas!

Así que, no es raro que tardaran 26 años en encontrar una prueba experimental de su existencia: en 1956 Clyde Cowman y Frederick Reines lo consiguieron. Bombardeando agua pura con un haz de 1018 neutrinos por segundo, obtuvieron una emisión de fotones subsiguiente y así quedó comprobada su existencia.

Según el Modelo estándar (detalles básicos) de la Física de partículas, hay tres familias de partículas conocidas, cada una de ellas con su propio tipo de neutrino asociado: el neutino electrónico (asociado al electrón), el muónico (asociado al muón, una especie de electrón más pesado y de corta vida) y el tauónico (asociado al leptón tau, un primo muchísimo más pesado aún del electrón).

Fué en 1987 cuando Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron estos dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos.

Uno de los mayores misterios que los envolvía era si poseían masa o no, ya que no se había podido medir dado lo "ligeros" que eran . Si poseían algo de masa, aunque fuera poca, podrían tener un "peso" enorme en el conjunto del Universo, por ejemplo para determinar si finalmente la expansión se pararía, o en la propia geometría del Universo, ya que son muy, muy numerosos.

Hoy sabemos que no sólo no se está frenando la expansión del Universo si no que se está acelerando, debido a la "Energía Oscura", una suerte de energía del vacío o costante cosmogológica, que actúa como una gravedad repulsiva.

También sabemos que hay mucha más materia de la que podemos "ver". Y los neutrinos han sido durante mucho tiempo un candidato a ingrediente de la denominada materia oscura (no es lo mismo que la energía antes mencionada, ojo): de la que sabemos que "pesa" pero no podemos observarla (sentimos y podemos medir sus efectos gravitatorios, pero no interactua con el electromagnetismo, por lo que no emite ninguna luz en ninguna frecuencia). Hoy sabemos que tampoco podrían ser un ingrediente significativo de la misma. Se calcula que la materia ordinaria no llega ni al 4% de todo lo que hay en el Universo Observable (lo que le ha dado tiempo a recorrer la luz desde el comienzo hace unos 15.000 Millones de años), la Materia Oscura un 20%-25% y el resto es Energía Oscura (como un 70%).

Las reacciones que mantienen encendido al Sol, así como el ritmo necesario para mantenerlo estable, se cree desde hace tiempo que se conocen bien, y básicamente, aunque mediante dos tipos de ciclos, al final trasforman dos protones en dos neutrones uniéndolos con otros dos protones más para lograr un núcleo de helio (2p2n). En el proceso se liberan dos positrones (la antipartícula del electrón pero con carga positiva) y dos neutrinos electrónicos.

Según estos cálculos, a la Tierra le deberían llegar del orden de 10^20 neutrinos por segundo y por unidad de área. ¡La sorpresa sobrevino cuando tras medir concienzudamente se descubrió que a la Tierra sólo le llegaba una tercera parte de lo esperado!. ¿No sería que al final no conocíamos tan bien como creíamos lo que sucede dentro del Sol?

La explicación más plausible fué aún más misteriosa y se conoce como "Oscilación Neutrínica" o "Problema de los neutrinos solares". No se sabía cómo, pero los neutrinos cambian de sabor conforme viajan desde el Sol a la Tierra, con una probabilidad casi al azar entre los sabores, de ahí el tercio observado. Así al medir sólo los neutrinos electrónicos, que son los que debería producir el Sol, no veíamos los otros sabores en los que se habían ido trasformando. Se sabe que dependen de la distancia recorrida desde su generación y que dentro de la materia el efecto es más acusado... y poco más.

Esto desafiaba el Modelo Estandar, ya que según el mismo, los neutrinos sólo podrían cambiar de sabor si su masa fuera no nula (aunque a priori les había asignado masa cero). Al final el modelo podría modificarse sin demasiados problemas para masas pequeñas (como las acotadas por los experimentos, como posibles).

Los neutrinos son la única partícula que nos podría permitir mirar directamente qué sucede dentro de una estrella, o al comienzo mismo del Universo: ya que en origen del Universo la radiación no pudo viajar libremente debido a las altas condiciones de temperatura y presión reinantes, todo él estaba en estado de plasma, y no podía ser atravesado por los fotones, hasta que se enfrió lo bastante como para dejar de ser plasma (los nucleos atraparon a los electrones y se crearon los primeros átomos). Tras los primeros cientos de miles de años el Universo se volvió transparente a la luz!. A partir de ahí, podemos mirar diretamente en la Radiación Cósmica de Fondo, aún observable, entonces muy caliente como el propio Universo. Hoy en día todavía es un débil eco de tan sólo unos pocos grados por encima del Cero Absoluto, y se enfriado hasta ese punto debido a la expansión del Universo.

Así los telescopios de neutrinos serán la siguiente revolución en la observación del Cosmos, que nos permitirá ver cosas totalmente nuevas e insospechadas, tal y como sucedió antes con la aparición de la astronomía en ondas de radio o radioastronomía, la infrarroja, la de rayos X, o la de rayos Gamma. De hecho el proyecto Ice Cube bajo los hielos Antárticos podría considerarse el primer telescopio de neutrinos rudimentario.

La presión en el interior de una estrella moribunda es tan alta, que hasta los propios neutrinos empiezan a interactuar con la materia, que empieza a dejar de ser transparente para ellos en esas condiciones. Se sabe que juegan un papel muy importante en el fin de una estrella masiva, y que se llevan casi toda la energía de la estrella en esos momentos finales. Así, en una supernova casi toda la energía de la explosión es emitida en forma de neutrinos de alta energía.

El detector SuperKamiokande en Japón logró algo sin precedentes: pudo medir en la supernova 1987A el retraso entre la llegada de los fotones y de los neutrinos procedentes de la explosión, demostrando así que los neutrinos sí tenían masa: si no la hubieran tenido habrían viajado a la velocidad de la luz, como los fotones y llegado por tanto a la vez que éstos, y no lo hicieron, llegaron casi a la vez, pero al final un poco después (la masa debe de ser al menos 2000 veces inferior a la del electrón, ya que su velocidad era de 0,99999... con muchos decimales la de la luz).

Las trampas actuales para detectar neutrinos, suelen ser de dos tipos, pero siempre incluyen tanques enormes llenos de alguna sustancia que reaccione bien con ellos, cuando chocan (como moléculas de cloro, agua pesada, etc...). La cantidad de sustancia debe de ser enorme: ya que un sólo neutrino tiene una probabilidad tan baja de interactuar con la materia, hay que aumentar enormemente el número de neutrinos (el sol es una fuente enorme de neutrinos de tipo electrónico, y las centrales nucleares de fisión) y sobre todo el de partículas de materia.

El tipo Radiactivo: el neutrino choca con una partícula del núcleo, trasmutando un protón en un neutrón o viceversa, y dando lugar a algún elemento próximo pero radiactivo (ejemplo el Cloro 37 se transmuta en Argón 37 radiactivo (y podamos ver sus emisiones).

El tipo Cherenkov: el neutrino choca con un electrón, y le comunica una velocidad que en ese medio puede ser superior al de la luz en él, emitiendo la característica radiación de Cherenkov (algo así como el estruendo de un avión cuando supera la velociadad del sonido pero con luz. ¡Ojo! Esto no viola la Relatividad de Einstein, sólo supera la velocidad de luz en ese medio material (donde será inferior a la del vacío por supuesto, la partícula viaja a menor velocidad que la luz en el vacío). En este tipo de detector se ponen cientos o miles de fotoamplificadores-detectores en el inmenso tanque de líquido transparente para detectar todos y cada uno de los destellos que se produzcan.

Deben estar enterrados bajo tierra a cientos o miles de metros para no confudir el experimento con los destellos procedentes de choques de neutrinos y otras partículas procedentes del espacio exterior con moléculas de la atmósfera. Normalmente en minas muy profundas ya avandonadas.

Los neutrinos procedentes del espacio y que chocan con la atmósfera o con la superficie de la Tierra, también son muy interesantes y se están estudiando aparte. Nos traen información de primera mano sobre fenómenos increíblemente energéticos en el Universo, como supernovas, choques de estrellas de neutrones, agujeros negros, etc...

El proyecto NOvA acaba de empezar a construirse en una mina de Minnesota coordinado con el Laboratorio de Aceleración Nacional Fermi. Contendrá 15.000 toneladas de sustancia para detectar partículas, y pretende investigar el papel de los neutrinos en el origen del Universo. El haz de neutrinos se generará en el Fermilab y se detectarán en el detector Nova en Minnesota, atravesando las 500 millas que los separan (unos 800 kilómetros) en 3 milisegundos. Las cifras son enormes: acero, carreteras, 180 científicos e ingenieros de 28 instituciones...

Para más información, podeis echarle un vistazo en:


http://www.fnal.gov/nova/

El proyecto T2K (Tokai to Kamioka) en Japón se dedicará a investigar la oscilación neutrínica. Acaba de detectar el primez haz de neutrinos muónicos producidos el J-PARC (Japan Proton Accelerator Complex). Ya el superKamiokande detecto las primeras oscilaciones entre sabores muónicos y electrónicos, producidos en la alta atmósfera. Se trata de generar un haz controlado y medible con una intensidad enorme para poder medir en el detector. Se generarán neutrinos muónicos de 12GeV (Giga electrón voltios, una manera de medir la energía para estas partículas tan pequeñas y su masa conforme a E=mc2). 1 Electrón Voltio es la energía que adquiere un electrón en reposo tras someterlo a un campo electrico de 1Voltio. 1GeV y viene a ser aproximadamente similar a la masa del protón (en reposo).

Para saber más:

http://j-parc.jp/index-e.html


http://kek.jp/intra-e/press/2009/J-PARCT2K.html

El proyecto Ice Cube es simplemente espectacular e imaginativo: para detectar los neutrinos procedentes del espacio, que traen tanta información del Universo entero, se ha considerado que los hielos Antárticos son el mayor depçosito de una sustancia (en este caso agua) lo suficientemente pura y transparente que hay en el planeta. Así se están perforando miles de pozos en un área de varios kilómetros cuadrados, de una profundidad similar al lado del cuadrado, formando un Cubo de kms de lado "lleno" de fotodetectores ubicados de forma uniforme cada cierta distancia en metros en todas direcciones.

¿La idea es buena o no? Imaginaros la dificualtad técnica y de ingeniería civil. Y mantener gente permanentemente allí. Por no hablar del matenimiento de los detectores a kms bajo el hielo..

Para saber más:

http://icecube.wisc.edu/

Como veis, pese a que cumplen casi 80 años desde su descubrimiento, los neutrinos gozan aún de una salud de hierro, en lo que a misterios y secretos suponen aún para los investigadores.

¿Quien iba a decir que un truco matematico para conservar la energía llegaría tan lejos?

¿Tu qué opinas? Los trucos matemáticos en física, siempre han pasado finalmente de ser considerados únicamente eso : un truco útil que simplificaba cálculos, a convertirse en una realidad física con entidad propia; como la propia energía, el concepto de campo (frente a fuerza), etc...

¿Hay una misteriosa conexión entre las ideas matemáticas más sencillas y elegantes y la realidad última de nuestro Universo? ¿o es una simple casualidad desconcertante?

¿Subyace una verdad profunda bajo todo ésto?, como que el Universo es en realidad pura matemática, tal y como creían los antigüos Pitagóricos y Platónicos ¿O el cerebro humano, fruto de millones de años de evolución para adaptarse a él y realizar modelos y predicciones, realmente piensa de un modo similar a como el Universo realmente actúa, fruto de nuestra propia experiencia en él?.

¡No seais tímidos y exponer vuestras ideas! Cualquier participación es mejor que "nada". Incluso las primeras ideas aún sin elaborar, (y sin tener una opinión previa formada). A veces esta primera intuición suele ser muy acertada, aunque se exprese de forma coloquial.

Muchos saludos (pero muy pequeños, como los neutrinos).

Franciso Jose Menchen

Novedades en fisica de particulas - Primavera'09

Hola Elementales!

¡Parece que, desde el CERN, las noticias son que no hay noticias! Al menos de las malas, que son a las que desde hace una año nos han venido acostumbrando.

Han realizado un comunicado para anunciar que ya han terminado de sustutuir todos los imanes dañados en el túnel en el sector III del LHC (Gran Colisionador de Hadrones), donde tuvo lugar el fallo eléctrico que produjo un escape de helio y nos condenó a todos a esperar un año más antes de ver resultados.

Han tenido que sustituir un total de 53 imanes (superconductores, de tipo tetrapolos) de los empleados para enfocar el haz de partículas en su recorrido por el largo túnel.

También han aprovechado para instalar un nuevo sistema de seguridad, del que antes se carecía, para que este tipo de fallos no vuelva a ocurrir. Este sistema incluye monitorización muy precisa de diversas partes y un nuevo sistema de control y actuación incluyendo nuevas válvulas de control de presión del helio liquido.

Según el comunicado, si todo va según lo previsto, el sistema comenzará a funcionar en pruebas de nuevo en Otoño y se espera que algún tiempo después se puedan obtener los primeros datos en una cantidad y a un ritmo suficiente como para que les sean útiles a los investigadores del mundo entero que los están esperando de forma ansiosa desde hace ya tanto tiempo.

Que no pase nada más... no podemos esperar otra cosa (¡53 imanes!)

¿Teneis vosotros alguna otra noticia sobre el LHC? Animaros y contadnosla

Un elemental saludo

Novedades en el mundo de la fisica de partículas

Se confirma que en el Fermilab el más potente acelerador del mundo en estos momentos, se acaban de encontrar quarks top completamente aislados, algo que se creía casi imposible. En la desintegración de un proton contra un antiproton este hecho sucede con una posibilidad de 1 frente a 20 billones, mediando la interaccion debil en vez de la fuerte como suele ser habitual.

Esto abre la puerta a buscar una particula Higgs aislada ya que encontrar los datos de un choque entre los restos de 20 billones es todo un reto tecnologico. ¡Enhorabuena para el equipo! ¿Sabeis por qué se creía que no podíamos ver un quark aislado?

En el Fermilab estaban comprobando y midiendo con precisión, las prediciones de las teorías actuales, buscando las particulas predichas y comprobando que ni falta ni sobra ninguna. Así hay que buscar todas las combinaciones con todos los quarks conocidos. Ahora se están buscando y se ha encontrado la más sencilla que faltaba constituida por dos quark estraños: ssu (dos estraños y uno up) y spin 1/2, falta la ssd (dos estraños y uno down) y sus versiones con todos los spines orientados en la misma direccion: 3/2 y por ultimo sólo una sss (tres estraños).

La materia normal esta constituida por protones (uud) neutrones (udd) en su configuracion de menor energia, esto es con los tres espines no totalmente alineados, uno de ellos en contrafase, resultando spin 1/2.

Hay que seguir buscando las formadas por quarks "encanto", "down" y "top".

http://www.fnal.gov/pub/presspass/images/Single-Top-Quark-2009.html

La interacción débil es la fuerza capaz de "cambiar de sabor" transmutar un tipo de quark en otro. Así en el Sol se quema hidrogeno para conseguir helio: dos protones se transforman en neutrones para conseguir el nucleo de helio que consta de dos protones y dos neutrones. Si para ello hay que mover carga, las partículas que portan la fuerza también transportan la carga: W+, W- y de las teorias surge una predicción que se encontró; las partículas Zo o de corriente neutra.

También se ha encontrado en otro experimento un exceso de muones (unos primos gordos de electrón, practicamente iguales pero mucho más pesados y de vida muy corta). Y tras mucho analizar sólo se les ha ocurrido que podría explicarse si un nuevo tipo de partícula muy masiva y neutra se hubiera creado, hubiera atravesado a una velocidad enorme el detector, sin dejar ni rastro y unos milimetros después se hubiera desintegrado en partículas menos masivas, hasta terminar de decaer en los muones.

De confirmarse, esta sería una de las noticias más excitantes de los últimos 10 años. Podría tratarse de una de las partículas que se están buscando como posibles costituyentes de la materia oscura (que "pesa" gravitatoriamente y podemos sentir los efectos de su masa, pero no la vemos porque no interactúa con la fuerza electromagnetica). Hay que repetir el experimento en alguna otra parte del mundo y diseñar un detector para este tipo de particulas.

También se ha encontrado por fin un eco en el detector de ondas gravitatorias GEO-600 (en Alemania) que no tiene aparente explicación. Los cientificos del Fermilab creen que encaja muy bien con las predicciones de un modelo del universo: el Universo Holografico. Se trata de una aplicación o proyeción de las ecuaciones (de una de las posibles teorias del todo), de la teoria supercuerdas sobre una superficie de contorno de nuestro Universo y las ecuaciones que se así obtienen resultan más sencillas de manejar con una dimensión menos, por ejemplo las de la interacción fuerte. ¿significa esta argucia o truco matemático que realmente nuestro universo tal cual lo vemos es una ilusión holográfica? ¿o no tiene sentido fiisico? ¿Que pensais elementales? Podeis verlo en Tendencias21 en este enlace:

http://www.tendencias21.net/Un-extrano-ruido-detectado-por-el-GEO-600-podria-probar-que-vivimos-en-un-holograma_a2996.html?com#last_comment

Ya decía que como tarde mucho en arrancar el LHC del CERN no van a quedar partículas por descubrir. Es broma esperemos que no se demore mucho. Se cree que para otoño de este año arranque de nuevo.

Un saludo Elementales


Fran