Las interacciones fundamentales

Las interacciones fundamentales de la naturaleza

Estas fuerzas de la naturaleza que rigen todas las interacciones del Universo en el que vivimos, hacen que las partículas elementales que conforman la materia se comporten como lo hacen.

Todo lo grande, todo, está formado por combinaciones de estos minúsculos objetos que no podemos ver, pero que en realidad son tan importantes que hacen posible la existencia de los planetas, las estrellas, las galaxias, los océanos, los seres vivos y toda la materia inerte del universo, que regida por las fuerzas arriba reseñadas componen el cuadro que los físicos llaman el modelo estándar, que aun no siendo perfecto, sí supone una herramienta poderosa para trabajar y saber sobre estas cuestiones, tanto a nivel microscópico (la mecánica cuántica), como a nivel cosmológico (la relatividad).

Así las cosas, era inevitablemente necesaria una partícula de espín 0 para que la interacción débil tuviera las simetrías que tiene a través del mecanismo de Higgs-Kibble. Esta partícula de Higgs se acopla ahora a los quarks y a los leptones para dotarlos de masa. Es, pues, una alianza entre la interacción débil y la interacción de Higgs lo que permite muchos tipos de desintegración de hadrones extraños y con encanto.

Cuanto mayor sea el número de fermiones introducidos, más tipos de interacción puede experimentar el campo de Higgs con esos quarks.

Los físicos japoneses M. Kobayashi y K. Maskawa escribieron la expresión matemática más general que puede obtenerse para las fuerzas. Resultó que uno de los términos de sus ecuaciones no tiene simetría PC, y que ese término sólo aparece si hay, al menos, seis tipos de quarks. Esto hizo que se comenzara a buscar partículas que contuvieran otro tipo de quarks, y se encontró el quark “belleza”. El descubrimiento siguió el mismo esquema que el de las partículas con encanto. En 1977 se encontró la partícula Y (ípsilon o ýpsilon) que está formada por un b y un  y con una masa tan grande como 9.460 MeV. También se encontraron hadrones con sólo un quark b con más de 5.000 MeV de masa. Aparentemente, los quarks b costaban cerca de 5.000 MeV de energía.

El sexto quark, llamado “cima” o “verdad”, fue el más difícil de encontrar o detectar. Una de las principales razones para ello es que su masa era muy difícil de predecir teóricamente, así que el quark c se hizo esperar.

                                                 La familia Quarks

Así se llegó al modelo de seis tipos de quarks (“arriba”, “abajo”, “extraño”, “encanto”, “fondo” y “cima”) y cuatro tipo de leptones (electrón, muón y sus correspondientes neutrinos), a los que después se unió el tau y su neutrino, con lo cual, también esta familia estaba compuesta por seis miembros.

Tenemos tres tipos de campos de Yang-Mills gauge, cada uno con su propia “constante de interacción”. Estos números, que describen las intensidades de las fuerzas que resultan de cada uno de estos sistemas, no los predice la teoría sino que tienen que ser medidos experimentalmente. Los símbolos matemáticos para las interacciones son U(1), SU(2) y SU(3), y las constantes de interacción se llaman g₁, g₂ y g₃. Estas tres constantes son todo lo que necesitamos para describir todas las interacciones entre partículas. Los campos de Yang-Mills están asociados con partículas, los bosones gauge, de espín 1.

Ahora introducimos los fermiones, partículas con espín ½, de los cuales hay tres generaciones. Cada generación contiene un doblete de quark (tal como u y d) y un doblete de leptones (como υ_e y e). La teoría no prescribe que tenga que haber tres generaciones; podría haber muchas más, pero cuando el LEP se puso en marcha se pudo medir con tanta precisión el ritmo de desintegración de la partícula Z⁰ que el número de especies de neutrinos se pudo fijar exactamente en tres.

Todas las partículas (bosones gauge, fermiones  y la propia partícula Higgs) deben su masa a las interacciones con la Higgs, que dicho sea de paso, nunca ha podido ser detectada, y se espera que cuando lleguen aceleradores de partículas más potentes se podrá localizar. Pero eso sí, su campo se siente en todas partes. Si la partícula de Higgs no estuviera ahí, nuestro modelo sería tan simétrico que todas las partículas parecerían iguales; habría demasiada poca diferenciación. Para que las partículas obtengan la masa, las simetrías deben ser suficientemente reducidas. Esto tiene que ver con la conservación de la helicidad, el espín a lo largo del eje paralelo a su movimiento, pero los detalles son demasiado matemáticos como para explicarlos aquí. Lo que es importante recordar es que todas las partículas deben su masa a las interacciones con el campo de Higgs.

Entender las fuerzas involucradas en el modelo estándar es importante porque entonces también sabremos cuáles son las leyes generales a las que obedecen estrictamente. Tenemos las leyes de la conservación de la energía, de la masa, del momento e incluso de la conservación de la información; esta última implica que los llamados fenómenos paranormales tendrán que ser explicados en términos de la física ordinaria, biología, psicología y así sucesivamente. De cualquier tema o fenómeno, tenemos la obligación de dar una explicación realista y cierta; la fantasía se debe dejar en manos de escritores de ciencia ficción, que está pensada para el deleite de la mente por mitos. La ciencia es otra cosa, más cierta, más seria, más veraz…

Un pión neutro puede, durante un tiempo muy corto, transmutarse en un protón y un antiprotón. Estas dos partículas generalmente regresan de forma inmediata al “estado pión”, pero también pueden aniquilarse mutuamente emitiendo fotones.

Si calculamos el proceso siguiendo las leyes conocidas en 1960, encontramos que el pión se desintegra en dos fotones de esta forma, y que el tiempo que necesita para hacerlo coincide bastante bien con la desintegración π → 2γ (dos fotones) observada en los experimentos.

Este cálculo fue realizado por primera vez por Jack Steinberger en 1949. Hoy día se puede hacer con mucha más precisión y algo diferente en la forma, porque sabemos cómo considerar el pión neutro como estado ligado de un quark y un antiquark (oscilando entre  y ). El quark y el anti-quark se aniquilan mutuamente emitiendo dos fotones, pero el resultado es exactamente el mismo de Steinberger.

El complejo mundo de la Mecánica cuántica nos dará aun, mucho que hablar.

emilio silvera

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