CERN DE GINEBRA (1)

CERN DE GINEBRA (1)

El pasado mes de Marzo tuve la suerte de visitar el gran colisionador de partículas de Ginebra. Aunque con un poco de retraso, voy a tratar de explicar en qué consiste y lo que allí aprendí.

En el colegio hemos estudiado las teorías atómicas, desde Demócrito en la antigüedad hasta la teoría de los orbitales, la que hemos llamado actual, y hemos visto que dentro del átomo existen tres partículas “fundamentales”, protón y neutrón en el núcleo, y electrones en la corteza.

Sin embargo, esto no es estrictamente cierto, ya que los protones y los neutrones están compuestos de otras partículas, más fundamentales, llamadas quarks. Creemos que quarks y electrones si son realmente fundamentales, es decir, no están compuestos de partículas más pequeñas, aunque es una cuestión aún abierta….

Los físicos han descubierto más de 200 partículas, fundamentales o no, que nombramos con las letras del alfabeto griego.

Para intentar explicar todo esto se ha creado una  teoría llamada el modelo Standard, que trata de explicar qué es la materia y cómo actúan todas las fuerzas existentes en el universo.

Se basa en que existen dos tipos de partículas:

·         Partículas portadoras de fuerza: Cada tipo de fuerza fundamental lleva asociada una partícula “portadora de esa fuerza”. El fotón, como veremos es un ejemplo.

·         Partículas materiales, que estarán compuestas de electrones, protones y neutrones. En realidad podríamos decir de electrones y quarks ya que protones y neutrones están formados por quarks.

Empecemos por las segundas; tipos de partículas materiales:

·         Leptones: Existen seis tipos de leptones, tres de ellos con carga eléctrica negativa y los otros tres sin carga eléctrica. Los tres cargados son el electrón (e), el muón (, y la partícula Tau (. Estos dos últimos son básicamente electrones pero de masa mucho mayor. Los tres sin carga son los neutrinos, de masa muy pequeña (si es que tienen que aún no está del todo claro) y muy rápidos. Existe un tipo de neutrino para cada tipo de leptón. Esta partícula se ha hecho muy famosa este último año cuando un experimento determino que viajaban a una velocidad mayor que la de luz. De haber sido cierto habría hecho tambalearse los cimientos de la física, pero tal y como se demostró más tarde, todo se debió a un error de medida de los experimentadores. Además existen los que se llaman leptones de antimateria, de la misma masa pero de carga opuesta. Siempre que la materia y la antimateria entra en contacto se aniquila, formando energía. Los leptones pueden existir aislados en la naturaleza.

·         Quarks: También existen seis tipos de quarks, pero aparecen siempre agrupados en 3 pares. Todos ellos tienen carga eléctrica fraccionaria, que pondré entre paréntesis a continuación. El protón y el electrón tienen carga eléctrica +1 y -1, respectivamente. Estos pares de quarks son:

o    Up (2/3) y Down (-1/3)

o    Charm (2/3) y Strange (-1/3)

o    Top (2/3) y Bottom (-1/3)

Para cada tipo de quark también existe un quark de antimateria.

Los quarks no pueden existir aislados, sino en agrupaciones de quarks. A estas agrupaciones de quarks se les llama hadrones. La carga de un hadrón siempre es un número entero. Existen hadrones de dos tipos:

o    Bariones: Unión de tres quarks. Los más habituales son:

§  Protón: Unión de 2 quarks up y 1 Down

§  Neutrón: Unión de 1 quark up y 2 Down

o    Mesones: Son la unión de un quark y un antiquark

Tanto los leptones como los quarks están constituidos en tres grupos que llamamos generaciones. Cada generación es más pesada, tiene más masa que la anterior. Pero la naturaleza es vaga y prefiere estar en estados estables donde la energía es mínima, y por eso las partículas de segunda y tercera generación son inestables (su tiempo de vida es inferior al micro segundo) y derivan a partículas de la primera generación, de la que está constituida toda la materia del universo.

         

Todo esto nos podría servir para saber de qué está hecho el mundo, pero ¿Qué es lo que hace que estas partículas se unan y formen los objetos que vemos y tocamos?  La respuesta está en las interacciones fundamentales. ¿Os habéis dado cuenta de que en la última imagen hay una columna rosa de la que no hemos hablado?

Durante los cursos inferiores del colegio hemos estudiado el concepto de fuerza. Sin embargo en 2º Bachillerato introducimos el concepto de interacción. En muchas ocasiones estos dos términos se usan como si fueran sinónimos. Nos referimos a interacción normalmente cuando hablamos de las partículas portadoras de la fuerza.

Todas las interacciones que afectan,  a partículas materiales son producidas por un intercambio de partículas portadoras de fuerza. Es decir,  que una partícula es afectada por una interacción si puede absorber o producir la partícula de fuerza característica de esa interacción.

Las cuatro interacciones fundamentales son:

·         Gravitatoria: Esta interacción no está incluida en el modelo estándar ya que es muy pequeña entre partículas. Ya sabéis esa constante G (6,67 ·10^-11 SI) tan pequeñita con esas masas tan minúsculas, hace que sea inapreciable. Es una fuerza muy débil, salvo que estemos hablando de masas muy grandes. Los científicos aún no han descubierto la existencia de la partícula portadora de la gravedad, pero predicen su existencia y la llamarían gravitón.

·         Electromagnética: Desde pequeños sabemos que cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen, pero ¿Cómo ocurre esto? Intentaré explicar esto con un ejemplo muy básico. Si yo te lanzo un balón de baloncesto tú al recogerlo te echas hacia atrás. Se habría producido una fuerza repulsiva entre tú y yo por culpa de una partícula portadora, el balón. En el caso de la fuerza electromagnética las partículas que se repelerían serían dos cargas positivas (protones por ejemplo) y el balón sería sustituido por la partícula portadora de la fuerza electromagnética, el fotón. ¿Lo has entendido? Lo más sorprendente es que esto también funciona para explicar las fuerzas atractivas. Si una partícula negativa “lanza” un fotón a una positiva cuando la positiva lo recibe no se va hacia atrás sino hacia delante, es atraído por el fotón hacia la negativa.

Pero entonces, si hemos estudiado que el núcleo es estable y está formado por protones de carga positiva, es decir que se repelen ¿Cómo es posible que el núcleo se mantenga estable, es decir, que no se desintegre? La respuesta nos la da la tercera interacción.

·         Fuerte: Sucede que entre los quarks de núcleo (que además de la carga electromagnética tienen otra carga llamada carga de color) aparece una interacción atractiva muy fuerte debido a esta carga de color. A la partícula de fuerza responsable de esta interacción se la conoce como gluón, y es una interacción atractiva tan grande que permite la estabilidad del núcleo. La forma de interactuar de los gluones con los quarks podemos imaginárnosla de forma parecida al fotón con los electrones y protones. Es importante destacar que solo los quarks y gluones tienen carga de color y por tanto los gluones interactúan con quarks únicamente.

Y por último está  la interacción débil. Tratando de simplificar mucho

·         Débil: Esta interacción es la responsable de que los leptones y quarks más masivos decaigan a los más livianos. Es una fuerza repulsiva. Las partículas portadoras de este tipo de fuerza se las conoce como bosón W⁺, W^-, y Z. Siempre que un leptón o quark decae (muón cambiando a electrón por ejemplo…), desaparece y en su lugar aparecen dos o más partículas. A esto se le llama un cambio de sabor. Se da la circunstancia de que la masa de las partículas resultantes siempre es menor que la de la partícula original, lo que se explica con un desprendimiento de energía (Recuerda E = mc²).

He intentado resumir, en pocas líneas lo que los físicos llaman el modelo estándar, que es en lo que se basa la física de partículas actual y que resumen en esta “simple ecuación” en palabras textuales del investigador que me enseñó el CERN.

Pero, te estará preguntando, que tiene esto que ver con el CERN DE GINEBRA….Lo veremos en el siguiente capítulo.