La complejidad de la materia
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    La complejidad de la materia La complejidad de la materia Presentation Transcript

    • LA COMPLEJIDAD DE LA MATERIA UN POCO DE HISTORIA POR NURIA LÓPEZ VARELA , PROFESORA DE FÍSICA Y QUÍMICADEL I.E.S PROFESOR JULIO PÉREZ, DE RIVAS VACIAMADRID
    • ¿Por qué hay tantas sustancias y objetos diversos?
    • • Conocer cómo está constituida la materia que nos rodea ha sidosiempre uno de los grandes objetivos perseguidos por los hombres deCiencia.• Entre los siglos V y lV a.C., surge la filosofía atomista de la mano delos filósofos griegos Leucipo y Demócrito . Estos filósofos de laantigüedad ya imaginaron que la materia era discontinua y estabaconstituida por partículas pequeñas a las que llamaron átomos.• En el siglo I de nuestra era, el romano Tito Lucrecio Raro escribe unlargo poema didáctico “De Rerum Natura” (Sobre la Naturaleza de lasCosas) en el que expone que todo está formado por átomos y vacío, ytrata el movimiento de los átomos y sus agrupaciones.
    • Leucipo Demócrito Tito Lucrecio
    • Moneda griega de cinco dracmas con la efigiede Demócrito en la cara.
    • En 1803, el británico John Dalton formula la “teoría atómica de la materia”, retomando el átomo como constituyente básico de la misma. Apenas se conocían dos docenas de elementos (tipos de átomos). • Esta teoría consigue explicar satisfactoriamente las leyes de la combinación química formuladas en el siglo anterior.• Según esta teoría los átomos eran unidades materiales indivisibles e inalterables. Asimismo todos los átomos de un mismo elemento eran idénticos. Ambas ideas resultaron ser incorrectas.
    • • En 1869 el químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeléiev publica suTabla Periódica de elementos. En ella ordena los 63 elementosconocidos en su época en orden creciente de su masa atómica y losagrupa según criterios de semejanza de sus propiedades físico-químicas.• Medeleiev predice, además, la existencia de algunos elementos aunno descubiertos. Un año después de su muerte, se conocían ya 86elementos. La rapidez de los descubrimientos fue posible gracias aesta tabla periódica, una de las aportaciones más importantes a laQuímica.• La tabla periódica moderna contiene 90 elementos naturales yalrededor de 21 artificiales.
    • Con el descubrimiento de los isótopos, en el siglo siguiente, sepuso de manifiesto que las propiedades de los elementos variabanperiódicamente con el número atómico.
    • EL ELECTRÓNLa existencia del electrón fue evidenciada principalmente a travésdel estudio de tres fenómenos:• la electrólisis• las descargas eléctricas en los tubos de gases a bajapresión• la radiactividad natural.
    • La electrólisis• En 1833, el británico Michael Faraday relaciona la carga eléctricautilizada en una electrólisis y la masa de elemento depositado después enlos electrodos.• Los resultados obtenidos por Faraday fueron razonados años más tardepor G. Johnstone Stoney, quien propuso que la electricidad debía estarformada por pequeñas partículas a las que llamó “electrones” y que losiones del electrólito cogían o cedían un cierto número de estas partículasantes de depositarse como elementos en los electrodos. Asimismo pudocuantificar la carga del electrón.
    • CUBAELECTROLÍTICA
    • Las descargas eléctricas en los tubos de descarga• En 1897, el físico inglés Joseph John Thomson confirmaexperimentalmente la existencia del electrón estudiando los rayoscatódicos de los tubos de descarga. Asimismo determina la relación entresu carga y su masa. Posteriormente el físico estadounidense RobertMillikan midió su carga.• Dado que los electrones constituyentes de los rayos catódicos procedíande la materia, y ésta estaba formada por átomos, era fácil concluir que loselectrones formaban parte de los mismos.
    • Tubos de descarga
    • Tubo de rayos catódicos
    • • Asimismo, estudiando los iones positivos que se producen en lostubos de descarga, Thomson descubre que algunos gases tienen másde un valor para el cociente carga-masa de los iones, lo que le hacellegar a la conclusión de que tiene que haber átomos del mismoelemento químico con distintas masas (los isótopos).Posteriormente con el invento del espectrómetro de masas se fueronidentificando los isótopos de todos los elementos.
    • Thomson recibió elpremio Nobel de física en1906.
    • Recordemos:La dinamita fue uno de los productos de la química del siglo XlX.En 1847 el italiano Sobrero descubrió la nitroglicerina. El explosivo máspotente conocido hasta entonces. Pero su inestabilidad provocó muchosaccidentes mortales. Una de las víctimas fue el hermano del científicoAlfred Nobel (1833-1896), que se dedicó a la idea de “domar” lanitroglicerina. En 1866 encontró la solución: mezclándola con diatomita,sólo podía estallar con un detonador. Llamó a esta combinacióndinamita (de la palabra griega dunamis, que significa fuerza).
    • • Con su invención, Nobel acumuló una gran fortuna, de casi 10millones de dólares, que a su muerte donó para la institución de lospremios que llevan su nombre.• La dinamita es un ejemplo excelente de la ambivalencia demuchas invenciones, pues ha sido un arma mortífera y almismo tiempo una de las invenciones que más trabajo yfatigas han ahorrado al hombre.
    • Alfred Nobel
    • Alfred Nobel y la dinamita
    • La radiactividad natural• Descubierta por el francés Henry Becquerel en 1896, fue estudiada,entre otros, por el matrimonio Curie.• En 1895 el alemán Roëtgen había descubierto los rayos X.Se puede afirmar que el descubrimiento de los rayos X y el de laradiactividad inician una segunda revolución en el campo de la Física.
    • • Los experimentos revelaron que las sustancias radiactivas emitíantres tipos de radiaciones : la radiación α (núcleos de helio), radiación β(electrones) y radiación γ (radiación electromagnética de mayorfrecuencia que los rayos X).Después de la emisión de una partícula α o β, el núcleo queda excitadoy emite el exceso de energía en forma de radiación γ.
    • En 1903 Becquerel y los esposos Curie recibieron el Premio Nobel de Física.En 1911, muerto Pierre, Marie Curie recibió el Premio Nobel de Químicapor el descubrimiento del radio y del polonio.
    • El modelo atómico de ThomsonEn 1910 J.J.Thomson propone el primermodelo atómico, según el cual:• El átomo es una esfera maciza de cargaeléctrica positiva.• Los electrones están incrustados en estaesfera maciza en un número suficientecomo para neutralizar la carga eléctricapositiva de la esfera.
    • EL PROTÓNEn 1886, Holdstein estudia los rayos anódicos o positivos que seproducen en los tubos de rayos catódicos que contienen gases a bajapresión. Cuando el tubo contiene hidrógeno, las partículas de estos rayostienen una carga igual a la del electrón pero de signo contrario, y unamasa similar a la del átomo de hidrógeno.Hacia 1914 , Enrnest Rutherford, físico neozelandés, llama a estapartícula “protón” (del griego protos, el primero).
    • Ernest Rutherford recibió el Premio Nobel de Química en 1908por sus estudios sobre la radiactividad natural.
    • EL NÚCLEO ATÓMICOEn 1911 Rutherford, discípulo de Thomson, postula la existenciadel núcleo atómico, para explicar los experimentos de dispersión de laspartículas, llevados a cabo por sus colaboradores Geiger y Marsden.
    • LAS REACCIONES NUCLEARES Y LA RADIACTIVIDADARTIFICIALEn 1919, Rutherford publica el resultado de lo que se ha denominado laprimera reacción nuclear artificial:En una reacción nuclear se produce el reagrupamiento de los nucleonesde dos núcleos. Uno de los núcleos de la reacción debe ser un proyectilcon una gran energía cinética inicial.
    • En 1934, el matrimonio Frédéric Joliot e Irène Curieconsiguen preparar fósforo radiactivo manipulando partículasprocedentes de una muestra de polonio, y haciéndolas pasar através de una lámina muy fina de aluminio: Nace así la radiactividad artificial, la radiactividad que tiene lugar como consecuencia de una reacción nuclear provocada previamente.
    • Irène Curie y su esposorecibieron el Nobel de Químicaen 1935.Marie Curie murió antes(aquejada de leucemia) y nopudo ver a su hija y su yernorecibir tal honor.
    • LA ENERGÍA• La energía, el otro concepto clave, junto al de materia, para entenderlas transformaciones que tienen lugar a nuestro alrededor, sufreimportantes cambios a principios del siglo XX.• A lo largo del siglo XlX, la espectroscopía ya ha puesto de manifiestoque la materia absorbe y emite radiación, y si ya venía admitiéndose quela materia estaba cuantizada en forma de átomos, ahora empieza aconsiderarse que la energía también lo está.
    • Dos hechos avalan esta idea: la radiación del cuerpo negro y lahipótesis de Planck (1900), y los espectros atómicos y lajustificación de Bohr (1913).Estos hechos manifiestan que las energías de las partículas queconstituyen la materia, no pueden tener cualquier valor. Esto implicaque los cuerpos no emiten o absorben radiación electromagnética deforma continua, sino discreta.Así pues, los fenómenos subatómicos son discontinuos. En ellos, lasmagnitudes físicas no pueden variar su valor de forma continua.
    • NATURALEZA DUAL DE LA RADIACIÓNEn 1905, Eisntein explica el efecto fotoeléctrico postulando que laradiación electromagnética está constituida por “fotones” o paquetes deenergía que son los que interaccionan con los electrones de la materia.Nace así el carácter corpuscular de la radiación.Hoy se acepta que la luz puede presentar un doblecomportamiento, ondulatorio y corpuscular, adoptando uno uotro según el fenómeno considerado.
    • Efecto fotoeléctricoAlbert Einstein
    • LA RELATIVIDADEn 1905 Einstein desarrolla la teoría de la Relatividad Especial que explicael comportamiento de la materia afectada de velocidades próximas a la luz. En relación a las partículas materiales, esta teoría concluye:• La masa de las partículas se incrementan al crecer su velocidad, de manera quetiende al valor infinito a medida que la velocidad crece acercándose a la velocidadde la luz.• Sólo las partículas con masa nula en reposo pueden moverse a la velocidad dela luz en un sistema inercial. Este es el caso del fotón.• Si una partícula experimenta un cambio en su energía E, su masa sufre unavariación m, tal que E = m c2 : principio de equivalencia entre la masa yla energía.
    • • El intervalo de tiempo entre dos sucesos dura más tiempo cuandoocurre en un objeto con movimiento relativo a un observador, quecuando el objeto está en reposo relativo al observador.Una de las múltiples consecuencias de este hecho es la dilatación dela vida media de las partículas inestables, en el sistema de referenciaterrestre, cuando se mueven con velocidades próximas a la luz. Estoha permitido detectar los muones (una de las partículas elementalesrecientemente descubiertas) que se generan en las altas capas de laatmósfera.
    • La teoría de la relatividad especial de Einstein dio paso a la teoría de laRelatividad General (1915).De pronto incluso los conceptos más firmes, como el espacio y eltiempo, quedaron descartados y suplantados por un continuo espaciotemporal de muy difícil comprensión.
    • NATURALEZA DUAL DE LA MATERIAEn 1925, el francés Louis de Broglie postula que el comportamiento dualde la radiación debe ser igualmente aplicable a las partículas materiales.Un año después, Davisson y Germer obtienen figuras de difracción de unhaz de electrones, lo que corrobora que los electrones se comportabancomo ondas. Otras experiencias de difracción con protones, neutrones oátomos de helio fueron confirmando posteriormente la validez de estepostulado.
    • Louis de Broglie fue PremioNobel de física en 1929.
    • LA MECÁNICA CUÁNTICAEntre 1925 y 1930, científicos como el alemán Werner Heisemberg,el austriaco Edwin Schrödinger, Max Born y el inglés Paul Dirac,entre otros, desarrollan la nueva mecánica del mundo atómico ysubatómico, la mecánica cuántica, que ya tiene en cuenta lanaturaleza ondulatoria de las partículas subatómicas.
    • En 1927, el alemán Werner Heisemberg enuncia su principio deincertidumbre o principio de indeterminación, según el cuál la interacciónobjeto-observador impide determinar simultáneamente los valores exactosdel impulso de una partícula y de su posición. Lo mismo ocurre con losvalores de la energía de la partícula y el tiempo correspondiente(magnitudes conjugadas).• Este principio hace evidente que sólo se pueden predecircomportamientos probables de las partículas de un sistema cuántico. Asíse sustituyeron las órbitas electrónicas de Bohr por los orbitales(regiones de alta probabilidad de presencia de los electrones).
    • Werner Heisenberg, junto con Dirac, fueron Premio Nobel deFísica en 1932
    • LA GRAN CONTREVERSIAEinstein nunca aceptó la interpretación probabilística de la MecánicaCuántica.Es famosa la frase que Einstein dirigió a Bohr: ”Tú crees en un Diosque juega a los dados y yo en la ley y el orden, en un mundo queexiste objetivamente y que intento captar, Dios no juega a losdados con el Universo”Hace pocos años, otro científico, el físico y cosmólogo británico StephenHawkins, zanjaba la cuestión, tras medio siglo de experimentos queavalan la teoría cuántica y sus sorprendentes consecuencias, en otrasentencia:”Dios no sólo juega a los dados, sino que a veces los lanza dondeno podemos verlos”.
    • Max Born, Premio Nobel de Stephen Hawkins Física en 1954
    • LA ANTIMATERIAEl físico teórico británico Paul Dirac unifica en 1928 larelatividad y la mecánica cuántica, y predice la existencia deantipartículas.En 1932, el físico estadounidense Carl David Andersondescubre experimentalmente la antipartícula del electrón.
    • EL NEUTRÓNLa demostración de la existencia del neutrón llega en 1932, cuando elinglés James Chadwick interpreta adecuadamente la radiación que seemite al bombardear una muestra de berilio con rayos alfa. Premio Nobel de Física en 1935
    • LA FISIÓN NUCLEAR• La fisión nuclear es la rotura de un núcleo pesado en otros más ligerosmediante el bombardeo con una partícula adecuada.En 1938, el alemán Otto Hahn descubre la fisión del uranio por bombardeocon neutrones. Dicha reacción nuclear es muy exotérmica y se convierte enun proceso nuclear muy importante por su doble vertiente, la militar y lapacífica, para la obtención de energía eléctrica en las centrales nucleares.• Enrico Fermi es el físico italiano que desarrolla el primer reactor nuclear.Fue en 1942, en la Universidad de Chicago. Durante laSegunda Guerra Mundial participó en el desarrollo de la bomba atómicaen los laboratorios de Los Álamos, Nuevo México, dentro delProyecto Manhattan. En 1938 Fermi recibe el Premio Nobel de Física.
    • Enrico FermiLas dos bombas atómicas lanzadas sobre Japón en la Segunda guerraMundial produjeron la muerte directa de 114 000 personas y secuelas(directas y a los descendientes) a buena parte de la población.
    • LA FUSIÓN NUCLEAR• La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicosde carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Seacompaña de la liberación de energía, que permite a la materia entrar enun estado plasmático.• La fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada porprimera vez por Mark Oliphant en 1932. La investigación sobre lafusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, ycontinúa hasta este día.
    • La energía de fusión, ¿la energía del futuro?En 2008 comenzó a construirse en Francia el primer reactor experimental (tipoTokamak), más conocido como el ITER, que pesará lo mismo que todo el edificiodel Empire State en Nueva York.
    • EL NEUTRINO En la desintegración de una partícula en dos, la conservación de la energía y el momento determinan el proceso. Sin embargo la desintegración beta de los núcleos radiactivos parecía no cumplir este principio. En 1930, Wolfgang Pauli propone la emisión simultánea de una partícula neutra extremadamente ligera bautizada un añoWolfgang Pauli después como neutrino por Fermi.
    • IceCube es el mayor observatorio de neutrinos delmundo, situado a 2500 m bajo la Antártida.Estas diminutas partículas atraviesan nuestro planeta, nosotrosincluidos, por trillones cada segundo, pero por su escasísima masa(menos de una milmillonésima de la masa de un átomo dehidrógeno) rara vez colisionan con algún átomo y resultanprácticamente indetectables. Por eso se construyen instalacionesgigantescas en lugares apartados de las interferencias.
    • OTROS OBSERVATORIOS SUBTERRÁNEOS DE NEUTRINOSSuper-Kamiokande, o Super-K, es un observatorio de neutrinoslocalizado en Japón. El observatorio fue diseñado para estudiar losneutrinos solares y atmosféricos. Este observatorio está localizado a1.000 m bajo tierra en la mina de Mozumi, en la ciudad de Hida. Constade 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por cerca de 11.000 tubosfotomultiplicadores (detectores)La interacción de los neutrinos con los electrones o los núcleos de agua,puede producir partículas que se mueven más rápidamente que la luzen el agua, provocando destellos luminosos (efecto Cherenkov). Elpatrón característico de este destello provee información sobre losdiferentes tipos de neutrinos.
    • Por su parte, el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en el centro deItalia recibe de forma continua neutrinos muónicos desde el CERN deGinebra (a 730 km de distancia) para estudiarlos e intentar averiguar lamasa de estas partículas.
    • En la mina más profunda del hemisferio Norte se ha abierto unaventana hacia el Sol. Es el observatorio de Sudbury (Canadá), en elque los científicos detectan el flujo de neutrinos procedentes de laestrella para estudiar las reacciones que la hacen lucir.El corazón del detector actual, que empezó a tomar datos en 1999, esuna vasija acrílica que contiene mil toneladas de agua pesada. Lavasija, de 12 metros de diámetro, está sumergida en 7.000 toneladasde agua ligera contenida en la cavidad de la roca.
    • En nuestro país tenemos el laboratorio Tunel de CanfrancA unos 800 metros de profundidad, debajo de las pistas de esquí deCandanchú, en el antigüo túnel ferroviario, están excavadas unas grandessalas, convertidas en un laboratorio de astrofísica. Es uno de los cuatrolaboratorios subterráneos europeos y el segundo en dimensión con sus1.200 metros cuadrados tras la ampliación de 2006. En este laboratoriotrabajan físicos, entre otras cosas, en la investigación de la composicióne interacción de los neutrinos y otras partículas.
    • Un interesante proyecto para construir una vasta infraestructura quealbergue un observador de neutrinos en el fondo delmar Mediterráneo está en desarrollo por un consorcio de40 institutos y universidades de diez países europeos.El consorcio afirma que el KM3Net, tal como se le conoce, abriráuna nueva ventana al conocimiento sobre el Universo gracias a sucapacidad para detectar neutrinos de alta energía producidos porviolentos eventos en el espacio exterior como supernovas, colisionesde estrellas y estallidos de rayos gamma.Actualmente el mayor observatorio de neutrinos del hemisferio nortees el observatorio submarino Antares, situado frente a Marsella a2500 km de profundidad.
    • Gracias a su escala, elKM3Net será la segundamayor construcción humanadespués de la Gran Murallaen China.Junto con el observatoriode neutrinos, KM3Nettendrá un conjunto deequipos para monitorear elambiente submarino el cualentre otras cosas, serácapaz de grabar lascomunicaciones acústicasde las ballenasy observar organismosbiolumuniscentes.
    • ELECTRODINÁMICA CUÁNTICA (QED)• Entre 1934 y 1948, Richard Feynman, Sin- Ichiro Tornonaga yJulian Schwinger, describen las interacciones electromagnéticas entre loselectrones, positrones y fotones de forma cuántica y relativistadesarrollando una nueva teoría, la Electrodinámica Cuántica.• Según esta teoría, las cargas eléctricas emiten y absorbencontinuamente fotones “virtuales”, que aparecen y desaparecenrápidamente .• La electrodinámica cuántica explica los resultados conocidos y permiteel cálculo de nuevos efectos posteriormente comprobadosexperimentalmente.
    • El estadounidense Richard Feymann fue Diagrama dePremio nobel de Física en 1965 Feyman
    • LOS QUARKSA través del estudio de la dispersión electrón-protón, mediante unexperimento análogo al de Rutherford, en 1956, Hofstadter mide eltamaño del protón y en 1967, Friedmann, Kendall y Taylor descubrenque el protón está compuesto de 3 quarks, partículas subatómicasdesconocidas hasta esa fecha.
    • LOS PIONESEn 1934 un joven físico japonés Hideki Yukawa propone que los nucleonesinteraccionan entre sí intercambiándose unas partículas de masa intermediaentre las partículas ligeras (los electrones) y las pesadas (los protones), losmesones.Había que encontrar dichos mesones; la fuente de búsqueda fueron los rayoscósmicos. C.D. Anderson encuentra en ellos una partícula similar a la predichapor Yukawa, pero el comportamiento de dicho mesón no responde a laspredicciones teóricas. Se necesitaron 11 años más para que se descubrieran losmesones pi o piones predichos por Yukawa. Dos años después en 1949, Yukabarecibía el premio Nobel de física por haber previsto la existencia de mesones.
    • Aunque posteriormente se descubrieron nuevos mesones quehacían inviable su modelo, la teoría de mesones hizo avanzarnotablemente la física de partículas subatómicas, y sigue siendoutilizada con fines de cálculo aproximado en muchos casos.
    • LLEGAMOS AL PRESENTETras el descubrimiento del neutrón y hasta el día de hoy, se handescubierto ya más de 200 partículas elementales; las primeras, enlos rayos cósmicos, y el resto, en las reacciones nucleares producidasen los aceleradores de partículas.
    • • La Tierra recibe continuamente radiación que proviene del Sol y losespacios interestelares: es la radiación cósmica, formada por radiaciónelectromagnética y por partículas elementales, (protones, electrones,…)con alta energía. Los rayos cósmicos (un 77% protones), al chocar conátomos de la atmósfera, pueden producir reacciones nucleares de las queresultan gran variedad de partículas (positrones, muones, piones …) yradiaciones secundarias. Estudiando la radiación secundaria el físicoestadounidense Carl David Anderson detectó, por primera vez, lapresencia del positrón, la antipartícula del electrón.• En el interior de los aceleradores de partículas, éstas chocan a granvelocidad (Física de las Altas Energías) creándose otras nuevas, lamayoría inestables.
    • INTERACCIÓN DE LOS RAYOS CÓSMICOS CON LA ATMÓSFERATERRESTRE
    • EL MODELO ESTÁNDAR• El modelo estándar de la física de partículas es una teoría quedescribe las propiedades de las partículas elementales que componen lamateria y las interacciones entre ellas.• Es una teoría desarrollada ente 1970 y 1973 compatible con lamecánica cuántica y la relatividad especial. Constituye la fronteraactual de nuestro conocimiento de la materia.• Este modelo habla de dos tipos de partículas, las partículas “de materia”y las partículas “mediadoras de las fuerzas”.
    • PARTÍCULAS DE MATERIA.El modelo estándar sugiere que la materia se compone, en últimainstancia, de quarks y leptones. Así mismo contempla que cadapartícula de materia (ya se conocen del orden de 300) tiene suantipartícula (electrón y positrón, neutrino y antineutrino,…) que sedistingue de la primera por poseer alguna característica opuesta de talmanera que si una partícula se encuentra con su antipartícula, ambasse aniquilan y se transforman en energía en forma de radiación.
    • LOS QUARKS• Hay seis tipos o “sabores” de quarks: por un lado los u (up), los c(charm) más pesados que los up, y los t (top), aún más pesados, y porotro, los d (down) , los s (strange) más pesados que los down, y los b(bottom), aún más pesados.• Los tres primeros tienen una carga igual a 2/3 la carga del electrón ylos tres últimos tienen 1/3 de la carga del electrón Los antiquarks sesimbolizan con una rayita encima de la letra que designa alcorrespondiente quark.
    • Los quarks siempre están agrupados como componentes de las partículasdenominadas hadrones. Estos, a su vez, pueden ser de dos clases:• Bariones, constituidos por tres quarks. Son bariones el protón (uud)y el neutrón (udd).• Mesones, constituidos por un quark y un antiquark (de un quarkdiferente al primero) Son mesones los piones y los kaones.Los mesones pueden encontrarse aislados aunque son inestables yse acaban desintegrando.
    • d u q(u) = +2/3 q(p) = +1 u q(d) = -1/3 d u q(n) = -1/3 - 1/3 + 2/3= 0 d
    • • A los quarks se les asigna una tercera propiedad adicional a la carga y el espín, denominado color.• Existen tres variedades de color denominadas rojo, verde y azul.Así los quarks aparentemente idénticos en el seno de un protón oneutrón, se diferencian en última instancia por la “carga de color”,cumpliendo así el principio de exclusión de Pauli.
    • LOS LEPTONESSon también seis los leptones conocidos:- los leptones con carga -1 : el electrón, el muón (con una vida mediade 2 millonésimas de segundo) y el tau (extremadamente inestable).- los leptones neutros: el neutrino electrónico, el neutrinomuónico y el neutrino del tau.Las propiedades de los leptones son muy parecidas entre sí, aunquetienen diferente masa. La del muón es algo más de 200 veces superior ala del electrón, mientras que el tau es unas 3 500 veces más masivo queel electrón.Los neutrinos tienen una masa muy pequeña (sin cuantificar por elmomento).
    • • Los leptones más pesados (el muón y la partícula tau), no seencuentran en la materia ordinaria, porque decaen extremadamenterápido, hacia leptones más livianos y, a veces, hacia pares quark -antiquark. Los electrones y los neutrinos son los únicos leptones estables.• Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra en un procesoconocido como oscilación de neutrinos. El corazón solar emite cantidadesingentes de neutrinos electrónicos pero en el camino hasta la Tierra vantransformándose en neutrinos de otro tipo.
    • • Las partículas también pueden clasificarse por el spín en fermiones(spín semientero, como los leptones y los quarks, cuyo spín es ½) yBosones (spín entero o nulo como los mesones). Mientras que losprimeros cumplen el Principio de exclusión de Pauli (no pueden existirdos fermiones en el mismo estado cuántico), los segundos loincumplen.• Para finalizar señalar que a la hora de estudiar el comportamiento deun conjunto grande de partículas es necesario acudir a la estadística deBose-Einstein si las partículas son bosónicas y a la estadística deFermi-Dirac si las partículas son fermiónicas.
    • COCRETANDOTodas las partículas verdaderamente elementales o fundamentalescaben en el siguiente cuadro:
    • • Los quarks y los leptones de la primera columna son los denominadosde 1ª generación, los de la segunda columna los denominados de2ª generación y los de la tercera los denominados de 3ª generación.Cada generación es más pesada que la generación previa.• Toda la materia estable en el Universo está formada por partículas demateria de la primera generación. Las partículas de la segunda y tercerageneraciones son inestables y decaen hacia partículas de la primerageneración
    • PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZASLa teoría cuántica de campos interpreta tres de las cuatrointeracciones fundamentales entre partículas (fuerzas) mediante elintercambio de partículas:
    • Los fotones (de masa en reposo nula) son las partículasmediadoras de la interacción electromagnética, los bosonesde Gauge (un total de 3) son las partículas mediadoras de lainteracción débil y los gluones (un total de 8) son las partículasmediadoras de la interacción nuclear fuerte gracias a la cuál losquarks están fuertemente unidos en los núcleos atómicos.
    • .. 10 - 40 . . 10 -2 . . I. gravitatoria I. electromagnética 4 interacciones básicas 1 10-5Interacción fuerte I. débil 10 -5
    • Tipo de Interacción Partícula MediadoraElectromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón) Aún no detectado experimentalmente
    • • Las partículas que sienten la interacción débil son los quarks y losleptones (con alguna excepción).• Sólo los quarks, y todas las partículas constituidas por quarks,como los protones y los neutrones, sienten la interacción fuerte.
    • El protón está compuesto por tres quarks que se mantienen unidosintercambiando constantemente gluones; si además hay un electrónligado al protón por el intercambio de fotones, el resultado es un átomode hidrógeno. (¡No está a escala!)
    • LA TEORÍA DE LA GRAN UNIFICACIÓNHoy en día, una de las mayores metas de los físicos de partículas, esunificar las cuatro interacciones en una única teoría, la teoría de la “GranUnificación”.Recientemente se ha logrado unificar el electromagnetismo y lainteracción débil en una interacción llamada electrodébil y se dispone yade una idea de cómo se pueda realizar la unificación de la interacciónelectrodébil y la fuerte en una interacción llamada electronuclearfuerte.
    • • Pero para ello es preciso tener un acelerador de partículas quesuministre energía del orden de 10 veces superior a la disponibleactualmente. Esto será posible con el nuevo acelerador LHC del CERN.• No obstante, la unificación de las interacciones electrodébil y fuertecon la gravedad resulta casi imposible. Dicha unificación necesitaría de unacelerador que proporcionase una energía del orden de la existentecuando se originó el Universo en el Big Bang, y de momento no esposible construir dicho acelerador.
    • EL BOSÓN DE HIGGS.La partícula de Higgs (a veces llamada “la partícula de Dios”) es unapartícula elemental masiva, de spin nulo, predicha por el modeloestándar pero aún no detectada por ningún experimento. La existenciade esta partícula, que debe su nombre a uno de los científicos quehace 30 años predijo su existencia, se considera indispensable paraexplicar por qué las partículas elementales tienen masa y por qué sontan diferentes entre ellas.
    • • En el gran colisionador de hadrones LHC del CERN de Ginebra seprecipitan billones de protones hacia las colisiones al 99,9999991% de lavelocidad de la luz. Los quarks y los gluones dentro de los protones chocany estallan con suficiente energía como para que surja la esquiva Higgs.• Probablemente 100 o 200 veces más masiva que un protón, esinestable. Subsistirá menos de una cuatrillonésima de segundo antes dedesintegrarse en una lluvia de otras partículas. Los indicios de la Higgsserán las trazas y espirales que las partículas creadas por su desintegracióndejarán en los detectores del LHC.
    • Cuando los protones choquen en el LHC, a unos niveles energéticos sinprecedentes, los físicos esperan ver partículas extrañas y estados de lamateria que sólo fueron habituales durante los primeros instantes deluniverso. Una de las partículas que buscan es el bosón de Higgs
    • • Dado que el modelo estándar predice la existencia de estapartícula, puede entenderse el anhelo de los físicos por verificarexperimentalmente su existencia.• Pronto se podrá ver si la teoría se reafirma, o entra endificultades en el rango de las grandes energías.
    • Si se encuentra el bosón de Higgs, la física podráexplicarse mediante "una sencilla fórmula"
    • Otro acelerador de partículas se ha dedicado, en los últimos años a labúsqueda del bosón de Higgs, el del Laboratorio Fermilab. Se trata deun laboratorio de física de altas energías (llamado así en honor al físicoEnrico Fermi), que fue pionero, durante mucho tiempo, en física departículas. Se encuentra localizado a 50 kilómetros al oeste de Chicago(Estados Unidos).En el Fermilab está instalado el segundo acelerador de partículas máspotente del mundo (el primero es el LHC), el Tevatrón.
    • Dos componentes muy importantes del modelo actual de partículasfundamentales fueron descubiertos en el Fermilab: el quark fondo(mayo - junio 1977) y el quark cima (febrero 1995). En julio del 2000,los investigadores del Fermilab anunciaron la primera observacióndirecta del neutrino tauónico, la última partícula elemental en serobservada.
    • EL LABORATORIO FERMILAB
    • LLEGADO ESTE MOMENTO ES INVITABLE LA SIGUIENTECONCLUSIÓN:LA HISTORIA DE LA CIENCIA NOS ENSEÑA QUE EL ESTADOACTUAL DE NUESTRO CONOCIMIENTO ES SIEMPREPROVISIONAL Y QUE DEBEN EXISTIR, MÁS ALLÁ DE LO QUEACTUALMENTE SE CONOCE, INMENSAS REGIONES NUEVAS QUEDESCUBRIR.
    • El CPAN en el InstitutoActividad divulgativa organizada por el CentroNacional de Física de Partículas,Astropartículas y Nuclear (CPAN).
    • VISITA AL CERN EN OCTUBRE DEL 2009