A horcajadas en el Tiempo
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La Pinacoteca de las Partículas Elem<strong>en</strong>tales<br />
El dev<strong>en</strong>ir de la evolución de la física nos ha hecho consci<strong>en</strong>tes de que teorías a ciertas escalas de <strong>en</strong>ergía se incompatibilizan y,<br />
regularm<strong>en</strong>te, adquier<strong>en</strong> la propiedad de ser «límites fronterizos» de una teoría más g<strong>en</strong>eral que trabaja a una escala de <strong>en</strong>ergía mayor que la<br />
asociada a las teorías indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes y que, además, casi siempre su<strong>el</strong>e ser de una mayor s<strong>en</strong>cillez conceptual. Sin embargo, como ha sido la<br />
«gracia» de los humanos que procuran hacer ci<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> física sigu<strong>en</strong> explorando posibilidades d<strong>en</strong>tro de la teoría que actualm<strong>en</strong>te describe<br />
bastante bi<strong>en</strong> a las partículas <strong>el</strong>em<strong>en</strong>tales y que es <strong>el</strong> mod<strong>el</strong>o estándar (ME).<br />
Como ya lo señalamos <strong>en</strong> la sección N° 13, de este sexto capítulo, <strong>el</strong> ME es una teoría que fue <strong>en</strong>unciada a los finales de los años<br />
ses<strong>en</strong>ta y, hasta ahora, comporta bastante éxito desde <strong>el</strong> punto de vista experim<strong>en</strong>tal. En sus principios medulares describe las tres fuerzas no<br />
gravitacionales que cohabitan <strong>en</strong> la naturaleza: la fuerza fuerte, la débil, y <strong>el</strong>ectromagnética. Se trata de una teoría consist<strong>en</strong>te; sin embargo, más<br />
de una «arbitrariedad», como ya quisimos m<strong>en</strong>cionarlo, ha sido necesario aceptar. Ti<strong>en</strong>e diecisiete parámetros libres, como por ejemplo, las<br />
constantes de acoplami<strong>en</strong>to, <strong>el</strong> espectro de masa fermiónica, etc., cuyos oríg<strong>en</strong>es no son fáciles de <strong>en</strong>t<strong>en</strong>der teóricam<strong>en</strong>te.<br />
Para que <strong>el</strong> ME cumpla con sus funciones predictivas es necesario postular la exist<strong>en</strong>cia de una masiva partícula escalar llamada bosón<br />
de Higgs, la cual, todavía, no ha sido posible observar experim<strong>en</strong>talm<strong>en</strong>te, pero la esperanza es lo último que se pierde.<br />
Ahora bi<strong>en</strong>, cuando se habla de hacer trabajos <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergías<br />
superiores a las típicas d<strong>el</strong> ME, o sea, de alrededor de 100 GeV,<br />
más de un mod<strong>el</strong>o se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra al alcance para posibles<br />
g<strong>en</strong>eralizaciones d<strong>el</strong> ME consist<strong>en</strong>tes con la correspondi<strong>en</strong>te<br />
información experim<strong>en</strong>tal. Entre <strong>el</strong>los, podemos m<strong>en</strong>cionar los<br />
igui<strong>en</strong>tes: mod<strong>el</strong>os con dos dobletes de Higgs, mod<strong>el</strong>os con<br />
simetrías izquierda-derecha, sistemas compuestos, métodos<br />
lagrangianos, efectivos, supersimetría, teorías supergravitatorias,<br />
grandes teorías unificadas (GUT's), etc.. Los tres primeros de los<br />
nombrados son consist<strong>en</strong>tes a una escala de <strong>en</strong>ergía algo más allá<br />
de la escala de Fermi (240 GeV) -llamadas también ext<strong>en</strong>siones<br />
minímales-, los restantes se exti<strong>en</strong>d<strong>en</strong> de manera natural hasta la<br />
escala de Planck (1.019 GeV). Pero esto, que hemos dicho <strong>en</strong> este<br />
párrafo lo vamos a tratar más ad<strong>el</strong>ante, por ahora, aquí, vamos a<br />
hablar de las partículas <strong>el</strong>m<strong>en</strong>tales.<br />
La clasificación que han hecho los físicos de las partículas<br />
<strong>el</strong>em<strong>en</strong>tales guarda una directa r<strong>el</strong>ación con su masa <strong>en</strong> reposo. Si<br />
una partícula se mueve y su masa <strong>en</strong> reposo no es cero, <strong>en</strong>tonces<br />
podemos suponer que nos movemos a la misma v<strong>el</strong>ocidad que la<br />
partícula, de modo que respecto a nuestro propio movimi<strong>en</strong>to la<br />
partícula está <strong>en</strong> reposo, lo que permite medir así, de esa forma, la<br />
cuantía de la masa <strong>en</strong> reposo de la partícula. Por otra parte, si la<br />
masa <strong>en</strong> reposo de una partícula es exactam<strong>en</strong>te igual a cero<br />
(como la d<strong>el</strong> fotón, la partícula de la luz), <strong>en</strong>tonces ésta se está<br />
movi<strong>en</strong>do para siempre a la v<strong>el</strong>ocidad de la luz, lo que nos deja<br />
limitado a podernos mover a la misma v<strong>el</strong>ocidad. Así pues, todas<br />
las partículas pued<strong>en</strong> clasificarse según su masa <strong>en</strong> reposo, sea<br />
ésta cero o no.<br />
El otro principio que se aplica <strong>en</strong> la clasificación de las<br />
partículas <strong>el</strong>em<strong>en</strong>tales es que éstas han de t<strong>en</strong>er un espín definido.<br />
Si nos imaginamos las partículas como puntitos que giran, esta<br />
acción de giro o espín <strong>en</strong> unidades especiales, sólo puede t<strong>en</strong>er los<br />
valores 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3... o un <strong>en</strong>tero o un valor semi<strong>en</strong>tero;<br />
<strong>el</strong> espín es cuantificable. Si se descubriera alguna vez una<br />
partícula con un espín de 1/6, ahí estaríamos <strong>en</strong> problemas, ya que<br />
<strong>el</strong>lo <strong>en</strong>trañaría una violación de la r<strong>el</strong>atividad especial y sería una<br />
grave falla de las leyes de la física.<br />
SOBRE PARTÍCULAS Y ENERGÍA<br />
Aunque la masa de las partículas puede expresarse <strong>en</strong> términos<br />
conv<strong>en</strong>cionales como minúsculas fracciones de un gramo, los ci<strong>en</strong>tíficos<br />
su<strong>el</strong><strong>en</strong> usar otro sistema de medida: una unidad de <strong>en</strong>ergía llamada<br />
<strong>el</strong>ectronvoltio (eV), definido como la <strong>en</strong>ergía adquirida por un <strong>el</strong>ectrón al<br />
atravesar una variación de un voltio de un campo <strong>el</strong>ectromagnético. El<br />
concepto de partículas como diminutos fajos de <strong>en</strong>ergía deriva de la<br />
fórmula de Einstein para la equival<strong>en</strong>cia de masa y <strong>en</strong>ergía, E = mc 2 Un<br />
protón, por ejemplo, posee una masa de aproximadam<strong>en</strong>te 10-14 gramos, o 938.300.000 eV. El cont<strong>en</strong>ido de <strong>en</strong>ergía de la materia es<br />
significativo para los físicos que estudian las partículas más efímeras<br />
con ac<strong>el</strong>eradores de alta <strong>en</strong>ergía, utilizando las colosales máquinas para<br />
producir materia allá donde antes no existía ninguna. Estas nuevas<br />
partículas toman forma de la <strong>en</strong>ergía liberada cuando dos haces de<br />
partículas ac<strong>el</strong>eradas golpean de fr<strong>en</strong>te. La masa de las partículas<br />
creadas nunca puede exceder la <strong>en</strong>ergía de las colisiones, que se mide<br />
<strong>en</strong> miles de millones de <strong>el</strong>ectronvoltios (expresada como<br />
giga<strong>el</strong>ectronvoltios, o GeV).<br />
En los ac<strong>el</strong>eradores más grandes de hoy <strong>en</strong> día, la <strong>en</strong>ergía d<strong>el</strong><br />
haz de partículas alcanza unos pocos ci<strong>en</strong>tos de GeV, justo lo sufici<strong>en</strong>te<br />
para crear los misteriosos portadores de la fuerza débil, los bosones W y<br />
Z, cuyas masas son casi de 100 GeV. Según la teoría cuántica<br />
contemporánea, estas partículas fueron abundantes unos 10-11 segundos después d<strong>el</strong> inicio de la expansión, cuando <strong>el</strong> mismo niv<strong>el</strong> de<br />
<strong>en</strong>ergía permeaba todo <strong>el</strong> universo.<br />
Los niv<strong>el</strong>es de <strong>en</strong>ergía de mom<strong>en</strong>tos muy anteriores son<br />
probablem<strong>en</strong>te inalcanzables. Unos 10 -11 segundos después de que <strong>el</strong><br />
universo iniciara su expansión, la <strong>en</strong>ergía media de una partícula era de<br />
1014 GeV. Para alcanzar un niv<strong>el</strong> similar, un ac<strong>el</strong>erador que usara la<br />
ing<strong>en</strong>iería incorporada <strong>en</strong> <strong>el</strong> Ac<strong>el</strong>erador Lineal de Stanford, de tres<br />
kilómetros de largo y 40 GeV, debería t<strong>en</strong>er aproximadam<strong>en</strong>te un año<br />
luz de longitud.<br />
En la ilustración d<strong>el</strong> <strong>en</strong>cabezado de esta sección, hemos hecho al c<strong>en</strong>tro d<strong>el</strong> dibujo una división <strong>en</strong>tre partículas de fuerza y partículas<br />
de materia. Con <strong>el</strong>lo queremos señalar que las partículas de espín <strong>en</strong>tero, 0, 1, 2… se d<strong>en</strong>ominan «bosones» mi<strong>en</strong>tras que las de espín de<br />
medio <strong>en</strong>tero, 1/2, 3/2, 5/2… se d<strong>en</strong>ominan «fermiones», difer<strong>en</strong>ciación de suma importancia, porque cada grupo de partículas <strong>en</strong> giro interactúa<br />
de modo muy distinto con otras partículas. Por ejemplo, <strong>el</strong> número total de fermiones que intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> una reacción ti<strong>en</strong>e que ser igual al<br />
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<br />
conservación que rige para los fermiones.<br />
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_14.htm (3 of 6)29/12/2004 23:29:30