El extraño “mundo” de las partículas subatómicas

Los físicos de más edad dejan volar a menudo sus pensamientos hacia aquellos tiempos gloriosos en los que, durante mucho tiempo, ha sido la era de los grandes descubrimientos de la primera mitad del siglo XX: La mecánica cuántica, la relatividad especial y general, la electrodinámica cuántica y los descubrimientos de las primeras partículas elementales.

El Zoo de las partículas llegó a ser tan exótico y numeroso que, Entico Fermi dejó caer aquella famosa frase: “Si tengo que saber de memoria el nombre de todas las partículas que existen,  hubiera sido  botánico”.

Fermi (abajo a la izquierda), Szilárd (segundo desde la derecha abajo), y el resto del equipo de la pila atómica

Claro que, días gloriosos también lo fueron en la década de los 70 cuando fueron colocadas en su sitio muchas piezas del gran puzzle de las interacciones débil, electromagnética y fuerte. El descubrimiento en 1974 de la J/Ψ fue el clímax. Antes de que este se produjera, aún quedaba alguna duda de que la teoría de la interacción débil fuera correcta y se consideraba la teoría de la intertacción fuerte simplemente como una idealización de algo que podría muy bien ser más complicado e insondable.

Pero, pasado algún tiempo, los experimentos llevaron a la convicción de que ambas teorías eran correctas, incluso en sus detalles. Según continuaban los experimentos las sorpresas iban en aumento a medida que surgían detalles más precisos de lo que muchos de aquellos físicos habrían esperado. Una cosa estaba muy clara: vivíamos en un mundo que obedecía meticulosamente a las leyes de las matemáticas, y las matemáticas son difíciles, pero se pueden llegar a entender completamente para poder llegar a esos misteriosos secretos que la Naturaleza trata de esconder y nosotros, de desvelar.

Antes os mencionaba la J/Ψ.  Cuando una partícula J/Ψ se desintegra (o decae), por lo general produce un par de muones. Observa atentamente los dos eventos mostrados a continuación. ¿Hay pruebas de pares de muones (trayectorias en rojo) en uno de estos eventos o en ambos? ¿Podría ser cualquiera de estos eventos un candidato para J/Ψ? ¿Es esta evidencia débil o fuerte? ¿Está seguro de tus conclusiones?

Un evento debe pasar dos pruebas antes de que pueda ser considerado como un candidato para J/Ψ. Usarás un sistema de evaluación para hacer un seguimiento de que tan confidentes eres en tu conclusión. Tú—y tu compañero estudiarán 100 eventos. Corresponderá a los estudiantes, en colaboración con los mentores y con los maestros, determinar el peso que asignaran a cada uno de los criterios y evaluaciones usadas. Vas a escribir tus evaluaciones en una hoja de datos.

Para ser una posible candidato a J/Ψ, el evento debe contener dos trayectorias de muones de cargas eléctricas opuestas.

Seguir hasta el final el proceso sería tedioso y, con este esbozo, sólo he querido significar que, llegar a conclusiopnes finales nunca ha sido fácil y se han necesitado de muchos experimentos, desechar todo aquello que no implican sucesos importantes paras lo que se busca, y un sin fin de cuestiones que hay que tener en cuenta antes de dar por bueno éste o aquel experimento de cuyos resultados veremos, finalmente, si coincide con la teoría.

Mucho tendríamos que aprender sobre los mecanimso misteriosos que rigen ese objeto que arriba vemos para poder entender que hayamos podido llegar a saber sobre el mundo físico de la materia y las fuerzas que lo rigen. Es una maravilla que tardaremos mucho tiempo en poder explicar.

Claro que, durante cualquiera de estos procesos, por el camino, nos encontramos con maravillas que nos invitan a la reflexión. ¿Cómo puede ser el cerebro humano capaz de entender totalmente el extraño mundo de las partículas subatómicas más exóticas y con tanto detalle? ¿Es que nuestro cerebro ha evolucionado al margen y más rápidamente que lo que tendría que haber sido conforme a la evolcuioón natural? Si lo pensamos bien, hasta ayaer mismo estábamos atareados con arcos y flechas y, hoy, tratamos de desentrañar los más recóndidos misterios de la Naturaleza de la materia queriendo desvelar sus componentes y como se comportan y por qué lo hace de esa manera.

La partícula J/Ψ se desintegra cuando dos quarks se aniquilan entre sí produciendo tres gluones, Estos gluones a su vez, se desintegran en piones, kaones o lo que sea, pero es la primera interacción, que se produce muy lentamente, la que determina la duración de su vida total. Sustituyendo los números, se encontró que se ajustaban razonablemente a las observaciones y no se tardó mucho en lograr que esta explicación fuera aceptada por la comunidad científica.

Ahora que las propiedades del quark c se podía determinar con muchio más detalle, los experimentadores sabían exactamente donde podían buscar más. Calculándo las masas de estas partículas paracía razonable deducir que la Ψ´´,  más pesada, podría desintegrarse directamente en mesones con encanto. esta desintegración se produce mucho más rápidamente que la desimtegración de J/Ψ, porque no requiere que se aniquilen antes entre sí un quark y un antiquark con encanto.  Esta es la razón por la que Ψ´´,es menor estable, pero es también la razón por la que el sitio ideal para buscar mesones con encanto sea entre los productos entre los que se descompone, donde, emn efecto, pronto se descubrierom.

En realidad, la partícula J/Ψ fue una pieza que vino a univer varias partes sueltas de nuestro gran puzzle. Por una parte teníamos el perdido quark encanto, necesario para completar la teoría de la interacción débil a través del mecanismo GIM; por otra parte, la cromodinñamica cuántica, con su libertad asintótica, se comportaba tan de acuerdo con las leyes teóruicas, que a muchos les cogió por sorpresa. Al parecer la cromodinámica cuántica no era únicamente un miodelo amplificado: los detalles que hasta aquel momento sólo unos pocos habían tomado en serio, se ajustaban perfectamente a todas las observaciones.

La QCD   es una parte  integral del modelo atómico estándar. El nombre cromodinámica viene del hecho de que las partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte tienen una propiedad denominada color, que puede ser dicha como un análogo de carga eléctrica.

Es universalmente aceptada como la teoría fundamental de las interacciones fuertes. La estructura de esa teoría guarda relación con la electrodinámica cuántica (QED). Las interacciones electromagnéticas no diferencian partículas que tengan la misma carga eléctrica. Así, un electrón es un antiprotón –ambos negativos – parecerían ser la misma partícula desde el punto de vista de un fotón, si no fuese por su diferencia de masa entre ambas partículas.

Veltman que era un excéptico empedernido, si se tiene una teoría,  decía, se debería predecir algo y no sólo decir retrospectivamente que todo encaja perfectamente.  Lo cierto era que, para las partículas descubiertas por aquel entonces, se tenía un esquema bastante detallado de las interacciones débil, electromagnética y fuerte. Había una sola cosa que no estaba del todo bien en el esquema: Que por término medio , tres de cada mil mesones K_L se desintegraban en piones, violando así, la conservación de la simetría PC. ¿Qué fuerza sería la responsable de ese fenómeno?

El modelo estándar es una jungla de constantes por determinar: las masas de las partículas, las cargas eléctricas y otros valores. Sin embargo, gracias al modelo estándar podemos conocer casi todas las reacciones que tienen lugar en los aceleradores de partículas. Es adoptar un punto de vista pragmático y conseguir avanzar mientras la física teórica trabaja para encontrar las razones profundas. Por eso es muy habitual en este mundo encontrarse con la constante búsqueda de simetrías y leyes de conservación, porque sencillamente, simplifican mucho las cosas.

En este caso tratamos con una simetría llamada simetría de carga-paridad. Viene a decir que si tenemos una cierta interacción física, si cogemos las ecuaciones que la describen, cambiamos de signo las cargas eléctricas (+q por -q) y cambiamos izquierda por derecha y viceversa (+x por -x, o lo que es lo mismo, ver nuestro sistema en un espejo) nos encontramos con el mismo escenario físico. Vale, las partículas han cambiado y tal, pero la física que ocurrirá ahí es la misma. Dicho así parece muy ad hoc, pero esta simetría la cumplen tanto la interacción fuerte, como la electromagnética como la gravedad (en este caso, la masa no tiene signo y la gravedad no distingue izquierda de derecha, por lo que trivialmente se cumple siempre).

Se propuso la simetría CP al descubrirse en los años 50 que la paridad no era una simetría fundamental. Pero cuando se testeó esta simetría en una interacción débil, la cosa se vino abajo. El primer experimento fue en un núcleo de Cobalto 60 en el año 1956 donde se vió que la interacción débil rompe la simetría de paridad. Esto quiere decir que las reacciones que ocurren con cierta frecuencia en un lado del espejo, no ocurren con tanta frecuencia en el otro.

Por este motivo, se supuso que habría una simetría más general y en 1957 Lev Landau propuso la simetría CP, para hacer que los dos lados del espejo volvieran a ser equivalentes.

El Premio Nobel de Física de 2008 para Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa por el descubrimiento de la conexión entre violación de la simetría CP y la masa en reposo de los quarks más ligeros nos dejó cierto mal sabor de boca. ¿Por qué la asimetría CP es más pequeña de lo necesario? Aparentemente el Modelo Estándar no nos daba la respuesta, aunque ahora Gary Gibbons y sus colaboradores de la Universidad de Cambridge han logrado obtener la respuesta. Es tan pequeña porque las masas de los quarks son pequeñas. ¿Por qué las masas de los quarks más ligeros son tan pequeñas? Nadie lo sabe. Unos misterios se aclaran, otros siguen esperando respuesta.

Pero volvamos a lo que estábamos tratando. La alegría no duró mucho, pues en los años 60 se demostró que era posible romper la simetría CP y esto llevó a ganar el premio Nobel en los años 80 (ya que la teoría suele anteceder a la experimentación).

La violación directa de la simetría CP se observó en una partícula descubierta a finales de los 40 y que trajo al mundo además el descubrimiento de un nuevo tipo de quarks: el extraño (s). Esta partícula (o más bien, familia de partículas) es el kaón. El kaón es un mesón (es decir, una partícula constituida por un quark y un antiquark) formado a partir del quark “up” o el quark “down” y el quark “antiestraño”. Existen de hecho 3 kaones, con carga neutra (down, antistrange + strange, antidown), carga positiva (up, antistrange) y carga negativa (strange, antiup).

El problema es que hace falta una nueva simetría: La Simetría COP en la que se añade un nuevo protagonista: el tiempo. Según esta simetría, además de invertir espacialmente y cambiar la carga por su opuesta, se ve el sistema pulsando el botón de rebobinar. Un espejo de lo más curioso, pero lo cierto es que la simetría CPT tiene todas las papeletas para ser la simetría fundamental, ya que es cumplida por todas las interacciones, que sepamos.

Más aún desde que en 2002 se demostrase (“Data Tables for Lorenztz and CPT Ciolatión”),  Ene 2010, arXiv;) que violar la simetría CPT implica cargarse la invariancia (o covariancia) de Lorentz,  Esta invariancia es uno de los pilares que deben cumplir todas las teorías que pretendan tener sentido físico, aunque luego pueda haber casos de ruptura espontánea de la simetría. Pero la teoría viola Lorentz de entrada, no puede ser válida. Esto es un puntal muy fuerte para la teoría CPT.

Hubo que esperar 40 años, hasta los años 80, en que se relacionara directamente a los kaones con la simetría CP y el problema de la bariogénesis en el universo. Es decir, ¿por qué si hay simetrías por todas partes, el universo está constituido de materia y no de materia y antimateria por partes iguales? ¿Por qué el universo no es una aburrida sopa de fotones?

Claro, si en el inicio del universo se hubiera encontrado la misma cantidad de materia que de antimateria, todo se habría aniquilado haciendo que el universo fuera un gas de fotones de lo más aburrido. Nada de lo que existe, existiría. Pero como de hecho existe, hay que encontrarle explicación. Y en eso consiste el problema de la bariogénesis asimétrica.

Como sea que ocurriera, aunque de hecho hubiera mucha materia y antimateria que se aniquilara, al final la materia venció esta batalla épica que se libró durante la época de Planck.

Pero resulta que no es posible modificar nuestro modelo invocando otro campo de Yang . Mills, Las partículas de espín 1 siempre preservan la simetría PC (¿Podría ser esta la razón por la que la que la simetría PC es tan tenue?.

Se han detectado nuevas partículas que nacen dentro de las enanas blancas de Helio

Podríamos imaginar el efercto que tendría otra partícula de espìn cero, preferiblemente que también sufriera algún tipo de condensación Bose, el resultado sería lo que llamamos la “violación espontánea de PC”. Sin embargo, los modelos resultantes que se obtienen así no son muy populares. Deseamos evitar partículas de espín cero tanto como sea posible, porque añaden muchos parámetros arbitrarios a la interacción. Los modelkos con tales partículas parecen muy artificiales. En si mismo, un argumento de este tipo no es, desde luego, suficiente para escluir una posibilidad, pero ducede que existen alternativas más interesantes.

 Gloshosow            Iliopoulos         Maiani

Recordaréis que Glashow, Iliopoulos y Maiani habían introducido el quarks encanto para entender la estructura simétrica de la interacción débil. Bien, lo que se propuso fue hacerlo de nuevo. Esta vez necesitamos introducir dos quarks más. Los cuatro primeros habían formado pares ( u y d, c y s), con cargas eléctricas + 2/3 y – 1/3. El nuevo par se tenía que parecer a este, pero los nuevos quark podrían fácilmente ser mucho más pesados. Siendo quarks análogos a los “arriba” y “abajo” se llamaron “cima” (t) y “fondo” (b), respectivamente. Pero a veces las mismas letras se utilizan pa<ra darles nombres más poéticos: “verdad” y “belleza”.

Era inevitablemente necesaria una partícula de espín cero para que la interacción débil tuviera las simetrías que tiene a través del mecanismo de Higgs-Kibble. Esta partícula de Higgs se acopla ahora con los quarks y a los leptones para dotarlos de masa. Pero la misma partícula de Higgs también puede producir transiciones entre varios tipos de quarks. Si no existiera interacción débil en absoluto, los qu quarks podrían permanecer en todas clases de estados estables. Es pues, una conspiración entre la interacción débil  y la interacción de Higgs lo que permite muchos tipos de desintegración de los hadrones extraños y con encanto.

Cuanto mayor sea el número de fermiones introducido, más tipos de interacción  puede experimentar el campo de Higgs con esos quarks. Los físicos japoneses Kobayashi y Maskawa escribieron la expresión matemática más general que se puede obtener para las fuerzas. Resultó que uno de los términos de sus ecuaciones no tienen simetría PC, y que ese término sólo aparece si hay, al menos, seis tipos de quarks. Esto hizo que comezaran a buscarse partículas que contuvieran otras especies de quarks.

Podríamos seguir por este camino que hoy he tomado (no muy convencido), sin ver nunca el final de donde podríamos acabar. Hay cuestiones de la Física que me resultan farragosas, espesas, poco diáfanas y que, por mucho que me empeñe, no puedo explicar de manera amena y sencilla que la gente, el posible lector, se involucre en el tema.

Ahora, parece que están anunciando en el LHC que, sobre los primeros días de Julio, se hará el anuncio tan esperado sobre el Bosón de Higgs y, ya veremos en que termina todo esto. La verdad es que, no tengo nada claro muchos de los conceptos que los físicos manejan en la mecánica cuántica y que, no en pocas ocasiones, me dan la sensación de ser, “trucos” ingeniosos que, apoyados por las matemáticas, nos quieren convencer de que el “mundo” es así.

¡Ya veremos en qué queda todo esto!

emilio silvera

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