A horcajadas en el Tiempo

La Pinacoteca de las Partículas Elementales
El devenir de la evolución de la física nos ha hecho conscientes de que teorías a ciertas escalas de energía se incompatibilizan y,
regularmente, adquieren la propiedad de ser «límites fronterizos» de una teoría más general que trabaja a una escala de energía mayor que la
asociada a las teorías independientes y que, además, casi siempre suele ser de una mayor sencillez conceptual. Sin embargo, como ha sido la
«gracia» de los humanos que procuran hacer ciencia en física siguen explorando posibilidades dentro de la teoría que actualmente describe
bastante bien a las partículas elementales y que es el modelo estándar (ME).
Como ya lo señalamos en la sección N° 13, de este sexto capítulo, el ME es una teoría que fue enunciada a los finales de los años
sesenta y, hasta ahora, comporta bastante éxito desde el punto de vista experimental. En sus principios medulares describe las tres fuerzas no
gravitacionales que cohabitan en la naturaleza: la fuerza fuerte, la débil, y electromagnética. Se trata de una teoría consistente; sin embargo, más
de una «arbitrariedad», como ya quisimos mencionarlo, ha sido necesario aceptar. Tiene diecisiete parámetros libres, como por ejemplo, las
constantes de acoplamiento, el espectro de masa fermiónica, etc., cuyos orígenes no son fáciles de entender teóricamente.
Para que el ME cumpla con sus funciones predictivas es necesario postular la existencia de una masiva partícula escalar llamada bosón
de Higgs, la cual, todavía, no ha sido posible observar experimentalmente, pero la esperanza es lo último que se pierde.
Ahora bien, cuando se habla de hacer trabajos en energías
superiores a las típicas del ME, o sea, de alrededor de 100 GeV,
más de un modelo se encuentra al alcance para posibles
generalizaciones del ME consistentes con la correspondiente
información experimental. Entre ellos, podemos mencionar los
iguientes: modelos con dos dobletes de Higgs, modelos con
simetrías izquierda-derecha, sistemas compuestos, métodos
lagrangianos, efectivos, supersimetría, teorías supergravitatorias,
grandes teorías unificadas (GUT's), etc.. Los tres primeros de los
nombrados son consistentes a una escala de energía algo más allá
de la escala de Fermi (240 GeV) -llamadas también extensiones
minímales-, los restantes se extienden de manera natural hasta la
escala de Planck (1.019 GeV). Pero esto, que hemos dicho en este
párrafo lo vamos a tratar más adelante, por ahora, aquí, vamos a
hablar de las partículas elmentales.
La clasificación que han hecho los físicos de las partículas
elementales guarda una directa relación con su masa en reposo. Si
una partícula se mueve y su masa en reposo no es cero, entonces
podemos suponer que nos movemos a la misma velocidad que la
partícula, de modo que respecto a nuestro propio movimiento la
partícula está en reposo, lo que permite medir así, de esa forma, la
cuantía de la masa en reposo de la partícula. Por otra parte, si la
masa en reposo de una partícula es exactamente igual a cero
(como la del fotón, la partícula de la luz), entonces ésta se está
moviendo para siempre a la velocidad de la luz, lo que nos deja
limitado a podernos mover a la misma velocidad. Así pues, todas
las partículas pueden clasificarse según su masa en reposo, sea
ésta cero o no.
El otro principio que se aplica en la clasificación de las
partículas elementales es que éstas han de tener un espín definido.
Si nos imaginamos las partículas como puntitos que giran, esta
acción de giro o espín en unidades especiales, sólo puede tener los
valores 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3... o un entero o un valor semientero;
el espín es cuantificable. Si se descubriera alguna vez una
partícula con un espín de 1/6, ahí estaríamos en problemas, ya que
ello entrañaría una violación de la relatividad especial y sería una
grave falla de las leyes de la física.
SOBRE PARTÍCULAS Y ENERGÍA
Aunque la masa de las partículas puede expresarse en términos
convencionales como minúsculas fracciones de un gramo, los científicos
suelen usar otro sistema de medida: una unidad de energía llamada
electronvoltio (eV), definido como la energía adquirida por un electrón al
atravesar una variación de un voltio de un campo electromagnético. El
concepto de partículas como diminutos fajos de energía deriva de la
fórmula de Einstein para la equivalencia de masa y energía, E = mc 2 Un
protón, por ejemplo, posee una masa de aproximadamente 10-14 gramos, o 938.300.000 eV. El contenido de energía de la materia es
significativo para los físicos que estudian las partículas más efímeras
con aceleradores de alta energía, utilizando las colosales máquinas para
producir materia allá donde antes no existía ninguna. Estas nuevas
partículas toman forma de la energía liberada cuando dos haces de
partículas aceleradas golpean de frente. La masa de las partículas
creadas nunca puede exceder la energía de las colisiones, que se mide
en miles de millones de electronvoltios (expresada como
gigaelectronvoltios, o GeV).
En los aceleradores más grandes de hoy en día, la energía del
haz de partículas alcanza unos pocos cientos de GeV, justo lo suficiente
para crear los misteriosos portadores de la fuerza débil, los bosones W y
Z, cuyas masas son casi de 100 GeV. Según la teoría cuántica
contemporánea, estas partículas fueron abundantes unos 10-11 segundos después del inicio de la expansión, cuando el mismo nivel de
energía permeaba todo el universo.
Los niveles de energía de momentos muy anteriores son
probablemente inalcanzables. Unos 10 -11 segundos después de que el
universo iniciara su expansión, la energía media de una partícula era de
1014 GeV. Para alcanzar un nivel similar, un acelerador que usara la
ingeniería incorporada en el Acelerador Lineal de Stanford, de tres
kilómetros de largo y 40 GeV, debería tener aproximadamente un año
luz de longitud.
En la ilustración del encabezado de esta sección, hemos hecho al centro del dibujo una división entre partículas de fuerza y partículas
de materia. Con ello queremos señalar que las partículas de espín entero, 0, 1, 2… se denominan «bosones» mientras que las de espín de
medio entero, 1/2, 3/2, 5/2… se denominan «fermiones», diferenciación de suma importancia, porque cada grupo de partículas en giro interactúa
de modo muy distinto con otras partículas. Por ejemplo, el número total de fermiones que intervienen en una reacción tiene que ser igual al
número total de fermiones resultantes… los fermiones se conservan, pero no pasa lo mismo con los bosones, ya que no gozan de la ley de
conservación que rige para los fermiones.
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_14.htm (3 of 6)29/12/2004 23:29:30