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  1. 1. El Fascinante Mundo de las Partículas e Interacciones Fundamentales Paulina Troncoso Iribarren y Sergio Curilef Departamento de Física, Universidad Católica del Norte Av. Angamos 0610 Antofagasta. Resumen El esfuerzo por difundir algunas ideas teóricas y prácticas de los conceptos científicosmanejados por especialistas, ha sido inherente al trabajo de los físicos, desde siempre. Elobjeto, en este caso, es la visión no especializada del modelo estándar y de los conceptosbásicos que usa este modelo en particular, pero que son comunes a muchas áreas de lafísica. El intento por explicar de qué están hechas las cosas y cómo las percibimos, es nomenos fascinante cuando se hace en base a partículas e interacciones fundamentales. 19
  2. 2. 1. Introducción El hombre, desde la antigüedad, se ha preguntado ¿de qué están hechas las cosas?.Los griegos en el siglo V A. C. ya se hacían esta pregunta, específicamente fue Leucipo ysu discípulo Demócrito; ellos buscaban la división más profunda y elemental de la materia,pensaban que todo estaba compuesto de pequeñas partes, que ya no podían seguirsubdividiéndose. A estas pequeñas partes las llamaron “átomo”, que en el idioma griegosignifica sin división. La idea de buscar lo más pequeño e indivisible de la materia ha perdurado en eltiempo, pero el conocimiento ha cambiado mucho. A principios del siglo pasado algunosfísicos creyeron que habían descubierto las partículas fundamentales y las llamaronerróneamente átomos. Se pensó que los átomos eran una especie de bolitas permeables queal unirse formaban toda la materia existente en la naturaleza, pero Rutherford en 1911reformuló esa idea y realizó una serie de experimentos. Los resultados de esosexperimentos comprobaron que el átomo era divisible, que consta de un núcleo y deelectrones que giran en torno a él. El modelo se explica como la tierra (electrones) girandoen torno al sol (núcleo). A dicho modelo se le llamó modelo planetario del átomo. El presente trabajo se suma al esfuerzo por difundir algunas ideas fundamentales delas teorías físicas[1-3], que ha llevado a construir un juego donde las reglas son unaadaptación del modelo estándar[4]. Sin ser rigurosos en el orden histórico de los eventosque originaron este modelo, creemos que la forma presentada ayudará a entender loselementos del modelo estándar y a acercar estos conceptos a los que, sin ser especialistas,se interesan en algunos aspectos de la ciencia. Primero definiremos lo que entenderemospor átomo y partícula fundamental. Luego desarrollaremos los elementos del modeloestándar y clasificaremos las partículas de acuerdo a sus propiedades.2. Átomo Con los años se descubrió que el núcleo a su vez puede dividirse y que está formadopor otras partículas llamadas protones y neutrones. La idea del modelo planetario del átomose cambió por una visión cuántica: el electrón se concibe como una distribución en elespacio, la cual envuelve al núcleo (donde están los protones y neutrones). En dichadistribución existe la probabilidad de encontrar un electrón. Esta visión obligó a desechar laidea de un objeto puntual [5] .A partir de principios simples del electromagnetismo: carga iguales (positiva-positiva onegativa–negativa) se repelen y cargas distintas (positiva-negativa o negativa-positiva) seatraen, podemos entender que los electrones giran en torno al núcleo, debido a que elelectrón posee carga eléctrica negativa y el núcleo que posee carga eléctrica positiva. Lacarga eléctrica de un electrón se simboliza “e” y su valor es -1.602*10-19 [Coulomb],similarmente la carga del protón tiene el mismo valor pero de signo positivo. 20
  3. 3. 3. Partícula Fundamental Ahora preguntémonos: ¿ son los mencionados protones y neutrones la división máselemental y fundamental de la materia?. Aquí la palabra fundamental tiene un significadobastante importante. Se quiere expresar que estos bloques, que forman toda la materia, notienen estructura interna y son la expresión más simple de la materia e interacciones que sepueden dar en la naturaleza. A partir de ellos se forma todo, dan origen a los protones yneutrones, los cuales forman distintos tipos de átomos, los que a su vez, forman toda lamateria existente. También se pensó que las interacciones que ocurren entre los cuerpos sonproducidas por unas pocas partículas fundamentales, y son ellas las responsables de todaslas que ocurren en la naturaleza. En la década de los cincuenta se comenzó a hacer experimentos con aceleradoresde partículas como el que se muestra en la figura 1; la función de estos aparatos es dar granvelocidad a las mismas (protones y neutrones). Estas empiezan a chocar en el interior delacelerador y en esos años dieron origen a partículas que nunca se habían detectado, losfísicos comenzaron a llamarlas con las letras del alfabeto griego (pi, omega, delta, etc.),pero con los años las letras del alfabeto griego se hicieron insuficientes para bautizar a lasnuevas partículas que se seguían descubriendo. Además, muchas de estas nuevas partículasno se ajustaban a ningún modelo teórico. Figura 1. Se muestra un acelerador de partículas de la década de los 50, que se encuentra actualmente en el hall de la Universidad de Chile (Santiago).Por otra parte, los resultados experimentales que se obtenían de las partículas después depasar por la cámara de niebla eran de mucha utilidad. La cámara de niebla, como seesquematiza en la Figura 2, es un recipiente cerrado lleno de algún gas que se ionizafácilmente. Cuando pasa una partícula cargada eléctricamente se observa un haz luminosoque muestra la trayectoria de la partícula. El estudio de esa trayectoria nos entrega datos delos cuales se deduce su masa, velocidad, tiempo que vive la partícula, etc. Respecto altiempo que vive una partícula, el concepto de vida media debe quedar claro: la vida mediaes el tiempo que la mitad de las partículas tardan en desintegrarse. Una de las tantas cosas 21
  4. 4. que hacía pensar a los físicos era que la vida media de un neutrón alcanza los 15 minutos,en cambio la vida media de cualquiera de las otras nuevas partículas que se seguíandescubriendo era cortísima, del orden de las millonésimas de segundo. Figura 2. Se muestra un esquema simple de la cámara de niebla. En la época se pensó que los protones y neutrones tenían estructura interna, pues lamayoría de los electrones lanzados contra un protón lo atravesaban casi sin desviarse, perounos cuantos rebotaban en distintas direcciones. Esto era la evidencia de que los protonesestán formados por partículas más pequeñas, pero hasta el momento se suponía que losprotones y neutrones no tenían una estructura interna. Murray, Gell-Mann y George Zweigpropusieron en 1965 que todas las partículas que interactúan fuertemente entre sí, estánformadas a su vez de unas partículas aún más fundamentales, que Gell-Mann llamó“cuarks”, cuyas cargas eléctricas son 1/3 ó 2/3 de la carga de un electrón. El hecho de que los protones y neutrones no son partículas fundamentales quedóestablecido entre 1967 y 1973 gracias a una serie de experimentos realizados con elacelerador de partículas de tres kilómetros de largo de Stanford, California. En lossiguientes años se fue modelando el comportamiento de todas las nuevas partículas y sellego a definir lo que hoy se conoce como modelo estándar. El problema se solucionó de lasiguiente manera4. Modelo Estándar Este modelo se basa en la existencia de partículas fundamentales (sin estructurainterna) de las cuales se compone toda la materia. Existen dos tipos de partículasfundamentales: las que conforman la materia llamadas Fermiones (en honor a EnricoFermi) y otras partículas encargadas de las interacciones que ocurren entre los fermiones,llamadas Bosones en honor a Satyendra Bose. Existe una propiedad, llamada espín, quedistingue bien a los fermiones de los bosones. El espín es una propiedad cuántica que, paratener una noción intuitiva clásica, se puede relacionar con la rotación de los cuerpos sólidosque giran. La analogía no debe tomarse literalmente, pero da una idea aproximada, debido a 22
  5. 5. que las partículas no son objetos sólidos (trompos) que rotan. Sin embargo, al usar laanalogía anterior, el espín nos indicaría la dirección de “rotación” de estas partículas.A. Fermiones A los fermiones le corresponde valores del espín: 1/2h, 3/2h,....., o sea fraccionessemi enteras de la constante de Planck. Con esta propiedad encontramos algunas partículasfundamentales que constituyen la materia como son los cuarks y los leptones. La energíade un sistema de muchos fermiones sigue reglas bien definidas, por ejemplo, dos o másfermiones no pueden ocupar el mismo estado de energía simultáneamente.A.1 Cuarks Su carga eléctrica se encuentra medida en tercios de “e” (carga del electrón ), estamedida sorprendió mucho a los físicos cuando lograron obtenerla, debido a que nunca antesen la naturaleza se había encontrado tal tipo de carga, es decir, se suponía que no existíanpartículas con cargas eléctricas en fracciones de “e”. Tal vez por esa misma razón loscuarks no pueden encontrarse “aislados”. Para formar los distintos tipos de partículas, loscuarks deben agruparse completando cargas eléctricas enteras, o sea múltiplo enteros de“e”, por ejemplo; - 2e,- e, 0, + e ,+ 2e. La regla sigue en pie, los cuarks no se pueden, ni sehan encontrado aislados. Como se muestra en la Tabla 1, existen 6 tipos de cuarks. Los quese denominan: d, u, t, b, c, s, notación que proviene de la primera letra de su respectivonombre en inglés, a saber: down, up, top, bottom, charmed, strange. Cuarks Nombre u d c s t b Nombre en inglés UP DOWN CHARMED STRANGE TOP BOTTOM Carga Eléctrica 2/3 e -1/3 e 2/3 e -1/3 e 2/3 e -1/3 e Masa ~ 5MeV ~ 10MeV ~ 1500MeV ~ 150MeV ~ 174000Mev ~ 5000MeVTabla N ° 1. Nombre, valores de las cargas eléctricas y masas de los cuarks La masa de un cuark sólo se puede interpretar como un parámetro en la teoría, laLa masa de un cuark se puede interpretar como un parámetro de la teoría, la masa de uncuark d está entre una y tres cienmilésimas de la masa del electrón, mientras que el cuark bes unas cinco veces más masivo que el protón, y el cuark t, que se detectó en Fermilab(1995), tiene una masa superior, unas 174 veces la masa del protón. Ejemplo: para el cuarku (2/3e) existe un anticuark llamado anti u de carga eléctrica (–2/3e). Por simple adiciónde cargas se pueden formar los protones, neutrones, etc... Para cada uno de los cuarks existeuna “antipartícula” llamada “anticuark”. Los anticuark poseen las mismas propiedades delos cuarks, pero su carga eléctrica es opuesta. 23
  6. 6. Veamos algunos ejemplos. Un neutrón se forma con: cuark d (-1/3e) + cuark u (2/3e) + cuark d (-1/3e). Si sumamos los valores entre paréntesis, nos damos cuenta de la razón por la cual el neutrón no tiene carga. Un protón se forma con: cuark u (2/3e) + cuark d (-1/3e) + cuark u (2/3e). Si sumamos los valores entre paréntesis, nos damos cuenta de la razón por la cual el protón tiene carga +e. Hadrones Los hadrones son agrupaciones de cuarks que se clasifican según el número de cuarks que los componen, de la siguiente forma: Bariones Se forman con tres cuarks, por ejemplo los protones y neutrones. En griego “barios” significa pesado, por lo general los bariones son las partículas más masivas, aunque existen mesones que son más pesados que muchos bariones. Mesones Se forman con un cuark y su respectivo anticuark. En griego “mesos” significa intermedio. Todos los mesones son inestables y decaen desintegrándose en millonésimas de segundos. Por ejemplo, los mesones pi cargados y los K, que son los que tienen un mayor tiempo de vida se desintegran en una cienmillonésima de segundo, transformándose, finalmente, en protones y electrones. Leptones Son el otro tipo de partículas fundamentales, su nombre proviene del griego “leptos”, que significa liviano. Como lo dice su nombre, los leptones son generalmente las partículas fundamentales más livianas que existen. Sus cargas eléctricas siempre son múltiplos enteros de “e”. Ellos no necesitan agruparse como los cuarks, los podemos encontrar solos o acompañados. El electrón es uno de ellos y podemos encontrar átomos con un único electrón (átomo de hidrógeno) o con 92 electrones (átomo de uranio) orbitando en torno al núcleo atómico. La masa del electrón es 9.109 x 10-28 [gramos], el muón es 207 veces más masivo que el electrón, el tauón es unas 3500 veces más masivo que el electrón, por lo tanto el tauón es más masivo que un protón, aunque éste sea un leptón. Es el leptón más pesado que existe. Entre los leptones encontramos a los neutrinos que son partículas pequeñísimas, si es que tienen masa es muy pequeña, si no la tuviesen viajarían a la velocidad de la luz. LeptonesNombre en inglés Electrón Neutrino Muón Neutrino Tauón Neutrino Tauónico electrónico muónicoNombre e νe µ νµ τ ντCarga Eléctrica -e 0 -e 0 -e 0Masa 0.5Mev ~0 105.7MeV ~0 1737MeV ~0 Tabla 2. Valor de las cargas eléctricas y masas de leptones 24
  7. 7. La mayor parte de los neutrinos y los antineutrinos atraviesan la Tierra en línea recta sininteractuar ni una sola vez. La mayor parte de ellos proviene de los procesos nucleares queocurren en el sol. Al electrón, muón y tauón, le corresponde un neutrino, por ejemplo, elelectrón sólo interactúa con el neutrino electrónico, así como el muón lo hace con elneutrino muónico. En 1973 empezó a funcionar el primer detector de neutrinos solares, que consistíade 600 toneladas de cloro sumergidas en una vieja mina de oro en Dakota del Sur. Se logródetectar del orden de una docena de neutrinos al mes. El experimento fue todo un éxito ysus resultados han sido confirmados posteriormente, pero, por otra parte, planteó nuevosproblemas, ya que los cálculos teóricos predecían aproximadamente el triple de neutrinoscapturados. Este problema se resuelve con el concepto de oscilación de los neutrinos, loque implica que tienen masa, aunque muy pequeña.B. Bosones A los bosones le corresponde valores del espín: 1h, 2h,......; o sea cantidades enterasde la constante de Planck. Esta propiedad no restringe el número de partículas que puedenocupar un mismo estado de energía. Todos los cuerpos interactúan entre sí, así comonosotros nos relacionamos con las demás personas, y tenemos diversas formas decomunicarnos. A nivel cuántico ocurre lo mismo, de alguna manera las partículas secomunican. Ese papel lo juegan los bosones, partículas responsables de las interacciones,pues permiten que las partículas de materia se puedan comunicar entre ellas. En lanaturaleza existen 4 interacciones fundamentales: la interacción electromagnética, lainteracción gravitatoria, la interacción fuerte, la interacción débil. Sin embargo, a nivelatómico hasta la fecha sólo se consideran 3 tipos de interacciones, debido a que los efectosde la interacción gravitatoria son muy pequeños a nivel de partículas.B.1 Interacción electromagnética: Los átomos pueden mantener electrones orbitando en torno al núcleo, debido a lainteracción electromagnética. Como ya se mencionó, el electrón tiene carga negativa y elnúcleo carga positiva, por lo cual estos se atraen y logran contrarrestar las cargas, para queesto ocurra debe existir el mismo número de protones y electrones en el átomo, o sea elátomo debe ser neutro, aunque estos también pueden ionizarse ganando o perdiendoelectrones. Existe una partícula fundamental que es la responsable de que esta interacciónse realice y es el fotón. El fotón es una partícula sin masa y viaja a la velocidad de la luz.Los fotones pueden ser absorbidos o emitidos por el átomo. Por lo general, los electrones en un átomo se encuentran en estados de menorenergía, sin embargo para que un átomo pueda liberar electrones se necesita que fotoneschoquen con él, llevándolo a niveles de mayor energía, estos niveles se denominan estadosexcitados. Existen fotones específicos que logran que el electrón abandone su átomo y 25
  8. 8. quede en libertad. En resumen al chocar un fotón de cualidad especial con un átomo, liberaun electrón. De esta forma podemos encontrar en la naturaleza átomos cargadoseléctricamente, los cuales son llamados iones.B.2 Interacción gravitatoria: Es la interacción que percibimos diariamente y en gran escala. Por ella caminamos yno flotamos. Fue descubierta ya hace muchos años por un brillante físico llamado IsaacNewton, el cual logró unificar las distintas ideas que se tenían. En sus años era sabido quela tierra orbitaba en torno al sol, la existencia de otros planetas y que ellos tambiénorbitaban en torno a él, también era sabido que las cosas al dejar de sostenerlas iban a dar alsuelo (caían) con la misma aceleración llamada aceleración de gravedad (ella varíadependiendo del lugar donde nos encontremos en el polo o en el Ecuador) su valor a niveldel mar más aceptado actualmente es de 9.8 m/s2. Lo brillante de Newton fue darse cuentaque todos esos fenómenos ocurrían por un sólo motivo, al cual llamó fuerza gravitatoria.Hasta la fecha se desconoce la existencia de la partícula portadora de esta interacción. Sesupone su existencia y es llamada “gravitón”, a pesar del esfuerzo de algunos, su existenciano está totalmente probada.[6]B.3 Interacción fuerte Esta interacción es la más intensa de todas, y es la responsable de que los protonesse mantengan unidos en el núcleo, lo cual no debería ocurrir, ya que eléctricamente lascargas de igual signo se repelen. La interacción fuerte va creciendo, es más fuerte, amedida que se separan los cuarks, pero llega un momento en que esta interacción deja deactuar, cuando eso ocurre se ha invertido tanta energía para separarlos que se logran formardos nuevos cuarks, debido a la equivalencia energía-masa de Einstein. Se hace la analogíacon un resorte, mientras más lo estiro, cuesta más seguir estirándolo, llega un momento enque el resorte se rompe. Esta es una de las tantas razones por la cual no podemos encontrarcuarks aislados. La partícula portadora de esta interacción es el “gluón”, en el idioma inglés “glue”significa pegamento. El gluón no posee masa, se encuentra unido a los cuarks como unacualidad, la energía de un gluón es inseparable del cuark, a esta cualidad de ellos sedenomina carga de color. Para poder comprender cómo actúa esta interacción, los físicos larelacionaron con colores, asignaron colores a los gluones y reglas de los colores que ellosdeben cumplir, por supuesto, en la realidad los gluones no son de colores, es solo parapoder entenderlo. Los colores primarios son: rojo, verde, azul. Al combinar estos trescolores en iguales proporciones se forma la luz blanca. Existen los colorescomplementarios que se forman mezclando los primarios, ellos son: cian, magenta,amarillo, como se muestra en la Figura 3. Al mezclar un color primario con su respectivocomplementario formamos el blanco, el respectivo color complementario se muestra en laTabla 3. A los gluones se les asigna uno de los colores primarios, por lo cual los cuarks 26
  9. 9. quedan cargados con un color, ellos para unirse deben formar el color blanco, debido a queen la naturaleza solo encontramos partículas blancas. Tabla 3 Color Color Primario Complementario Rojo Cian Azul Amarillo Verde Magenta Figura 3. Se muestran los colores primarios y como ellos se mezclan para formar los colores complementarios.Para formar un barión necesitamos tener un cuark azul, un cuark verde y otro cuark rojo,ellos a su vez deben cumplir la condición que la suma de sus cargas eléctricas sea múltiploentero de “e”. Por ejemplo para formar un neutrón se necesita un cuark d rojo, un cuark uazul, un cuark d verde.B.4 Interacción débil La interacción débil es la responsable de la desintegración de partículas masivas enpartículas menos masivas y a veces más estables, esta interacción como lo dice su nombrees la más débil de todas las interacciones, cuanto más crece la distancia entre dos partículasque la estén experimentando, tanto más débil la interacción se va haciendo. Por ejemplo, unneutrón decae en un protón, electrón y un antineutrino, un muón tarda en promedio unasdos millonésimas de segundo para desintegrarse en un electrón, mientras que un tauón tarda3x10-13 segundos para trasformarse en un muón, todo esto gracias a esta interacción. Cuando se desintegra un neutrón queda un protón y un electrón. El momentum,producto de la masa que posee la partícula por la velocidad que ella lleva, no se mantieneconstante, o sea, el momentum inicial antes de la desintegrarse el neutrón no es el mismoque después de desintegrarse, esto estaría violando la ley de conservación de momentum de 27
  10. 10. Newton, por lo cual el momentum faltante es asignado a una nueva partícula. Enrico Fermillamó a esta nueva partícula “neutrino” que en su idioma significa neutroncito.Conclusión Hemos esbozado este trabajo con el único objetivo de despertar la curiosidad dellector que tiene el ánimo de saber más sobre estos tópicos. La física no es una ciencia quequiera explicar el origen mismo de las cosas, sino de qué se componen y cómo secomportan. El estudio formal de estos temas comienza con disciplinas como la mecánicacuántica y mecánica estadística. Esto constituye una invitación para el lector a profundizaren tópicos tan relevantes de la física como los mencionados en el presente trabajo.Agradecimientos Agradecemos el apoyo financiero del proyecto FDI concurso 2002 del Mineduc“Apoyando a los Físicos del Mañana”, programa Licenciatura en Física con mención enAstronomía U.C.N, proyecto FONDECYT 1010776. Agradecemos a M. Díaz y M.Bañados sus aportes en la preparación del manuscrito del presente trabajo.Referencias[1] F. Claro, “A la sombra del asombro”, Ed. Andrés Bello.[2] E. L. Koo “El electrón centenario” Fondo de Cultura Económica. México, D.F. (1999)[3] A. Menchaca Rocha “El discreto encanto de las partículas elementales” http://biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/068/htm/discreto.htm[4] P. Troncoso, R. Arrué, S. Curilef, “Un juego basado en el modelo estándar”, Acta de Contribuciones XIII Simposio Chileno de Física, 429-430 (2002)[5] L. Roa, “El concepto de partícula”, Charlas de Física 16, 29-38 (1999)[6] G. Vogel, “La Velocidad De La Gravedad”http://www.profisica.cl/menus/menunoticias.html 28

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