NGC 1410 & NGC 1409_ Constelación Taurus, a 300 millones de años luz de la Tierra
La Mecánica Cuántica establece el comportamiento de las partículas elementales y explica la interacción entre ellas. Existen dos tipos de partículas:
>>> las que forman la materia, llamadas fermiones [nombre debido físico a Enrico Fermi]
>>> las que transmiten las fuerzas que interactúan entre ellas, llamadas bosones [nombre debido al físico Santyendra Nath Bose].
En el siglo XX los experimentos con aceleradores de partículas revelaron que eran muchas más de las que se creía. A comienzos de la década de los 60 fueron identificados unos cien tipos de partículas.
En 1964, Murray Gell-Mann y George Zweig dieron con el mismo resultado, de manera independiente: todas las ‘nuevas partículas’ podrían ser explicadas a partir de “quarks”, junto con sus correspondientes anti-quarks. Los anti-quarks son los compañeros de antimateria de los quarks; tienen la misma masa, pero su carga es opuesta a la del correspondiente quark. Cuando un quark se topa con un antiquark, ambos pueden aniquilarse para dar algún otro tipo de energía.
Treinta años más tarde, después de muchos experimentos, la idea del quark fue confirmada. Ahora forman parte del Modelo Estándar de las Partículas e Interacciones Fundamentales.
En definitiva, el mundo de los fermiones estaría formado por:
–> quarks
–> leptones
>>> Hay seis tipos de quark, en orden creciente de masa: up, down, strange, charm, bottom, y top. Los quarks nunca han sido encontrados separados, sino sólo formando parte de partículas compuestas llamadas hadrones. Hay dos clases de hadrones:
—> bariones, que contienen tres quarks: protón, neutrón…
—> mesones, que contienen un quark y un antiquark: pión, kaón…
Las partículas hechas con los primeros cinco tipos de quark, han sido producidas y estudiadas en los aceleradores. Pero el quark top era tan masivo que para producirlo se necesitaron muchos años y aceleradores de muy alta energía. Fue finalmente descubierto en abril de 1995 en el Fermilab.
>>> Existen seis tipos de partículas llamadas leptones. Cualquiera de los seis leptones pueden hallarse solos. Cuestión que los diferencia de los quark.
—> El electrón es el leptón más conocido.—> Otros dos leptones con carga son: el muón, descubierto en 1937, y la partícula tau, descubierta en 1975. Difieren del electrón sólo en que son más masivos que éste.
—> Los otros tres leptones son partículas llamadas neutrinos, que no tienen carga eléctrica y muy poca masa, caso de tenerla. Hay tres tipos de neutrino: neutrino- electrónico, neutrino- muónico, neutrino-tauónico.
Para cada uno de los seis leptones hay, además, un antileptón que tiene igual masa y carga opuesta (ejemplo: electrón<-> positrón ).
Todas las fuerzas son debidas a las interacciones entre las partículas. Las interacciones son de cuatro tipos: gravitacionales, electromagnéticas, fuerte y débil.
El Modelo Estándar tiene en cuenta las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas de los quarks y leptones, y explica el patrón seguido por las uniones nucleares y por los decaimientos. La gravedad no está incluida en el Modelo Estándar, porque sus efectos son despreciables en los procesos entre partículas fundamentales.
–> Las interacciones electromagnéticas son las responsables de ligar los electrones el núcleo, para formar átomos eléctricamente neutros.–> La interacción fuerte mantiene unidos a los quarks entre sí, formando los hadrones. Los leptones no intervienen en las interacciones nucleares fuertes.
–> Las interacciones nucleares débiles son las responsables de la desintegración de partículas masivas en partículas menos masivas y a veces más estables. Son las responsables de que todos los quarks y leptones más masivos, decaen para producir quarks y leptones más livianos. Esta es la razón por la cual la materia estable que nos rodea contiene sólo electrones y los dos tipos de quark más livianos (up y down).
En los procesos entre partículas se describen las fuerzas como si fueran producidas a través de partículas «mediadoras» (o bosones). Para cada tipo de fuerza hay una partícula mediadora asociada:
–> La partícula mediadora de la interacción electromagnética es el fotón.–> Las partículas mediadoras de la interacción fuerte se llaman gluones y «pegan” exitosamente los quarks entre sí.
–> Las partículas mediadoras de las interacciones nucleares débiles son el bosón W y bosón Z.
El Modelo Estándar integra todas las partículas elementales conocidas y tres de la cuatro fuerzas fundamentales. Pero, ¿por qué son estas fuerzas tan diferentes? ¿Y por qué las partículas tienen masas tan diferentes? La más pesada, el quark top, es más de tres mil cien veces más pesada que el electrón. ¿Por qué tienen todas masa?.
La fuerza nuclear débil destaca porque ‘sus portadores’, las partículas bosón Z y W, son muy pesadas, mientras que el fotón, que transmite la fuerza electromagnética, carece de masa. El fotón se mueve a la velocidad de la luz porque no es una partícula material, es un bosón. Esto tiene la consecuencia adicional de que su velocidad no puede ser disminuida; esto es, los fotones no pueden ser frenados, existen sólo en movimiento a la velocidad de la luz. Como además nosotros no podemos movernos a esa velocidad es imposible detener, o alcanzar, un fotón para examinarlo.
La mayoría de los físicos piensa que el llamado mecanismo de Higgs es el responsable de que la simetría original entre fuerzas fuera destruido, dando lugar a que las partículas adquirieran su masa en las primeras etapas del Universo. La cuestión de la masa de las partículas elementales ha sido explicada por ‘la rotura de la simetría’ del hipotético campo de Higgs.
Se piensa que en el Big Bang el campo de Higgs era perfectamente simétrico y las partículas tenían una masa nula. Pero el campo no era estable, así que cuando el Universo se enfrió, el campo cayó al nivel de energía más bajo, su propio vacío, de acuerdo con la definición cuántica. Su simetría desaparece y el campo de Higgs se transforma en una especie de ‘jarabe de partículas’ elementales; éstas interaccionaron de diferentes formas con el campo quedando con masas distintas. Algunas, como los fotones, permanecieron sin masa. Pero por qué los electrones adquirieron masa es una cuestión que nadie puede responder actualmente.
Como otros campos cuánticos el campo de Higgs tiene su propio representante, la partícula de Higgs. Los físicos están ansiosos por encontrar pronto esta partícula en el más poderoso acelerador de partículas, el LHC – Large Hadron Collider. Es posible que sean detectadas varias partículas de Higgs, o ninguna.
La llamada teoría Supersimétrica es la favorita entre varias para extender el Modelo Estándar. Otras teorías existen, en todo caso, todas ellas serán simétricas, aun cuando la simetría puede que no sea evidente al principio. Pero estará allí, oculta en el aspecto aparentemente desordenado.
La Teoría de cuerdas plantea la posibilidad de que el Modelo Estándar sea parte de una colección mayor de partículas llamada Supersimetría. La Supersimetría afirma la existencia de una correspondencia biunívoca entre fermiones y bosones, en la que cada fermión tiene un supercompañero bosón de parecidas características, y cada bosón un supercompañero fermión. El problema es que entre los fermiones y bosones que conocemos no se da ni un solo caso de correspondencia.
Es decir, si la supersimetría es cierta, tendríamos que encontrar todavía los supercompañeros de todas las partículas del Modelo Estándar.
Los hipotéticas supercompañeros fermiones de los bosones se llamarían fotino, wino, higgsino, etc. Y los supercompañeros bosones de los fermiones se llamarían selectron, sneutrino, squark, etc.
Uno de los valores que caracterizan a las partículas es su spin. El spin de una partícula es algo así como su momento magnético. Lo interesante del spin es que diferencia claramente a las partículas que forman la materia, fermiones, de las que transmiten las fuerzas, bosones. Los fermiones tienen spin “semi-entero ” (1/2 ó 3/2), y los bosones lo tienen “entero” (0, 1 ó 2). El que el spin sea entero o no, marca una importante diferencia de comportamiento entre bosones y fermiones.
Las ecuaciones de la Mecánica Cuántica nos dicen que dos fermiones “no pueden estar juntos en el mismo estado”, mientras que dos bosones sí.
Además el supercompañero de cada partícula elemental del Modelo Estándar tiene un espín que es 1/2 mayor que el de la partícula original. El electrón tiene un compañero supersimétrico, el selectrón: como el electrón tiene un espín de 1/2, su supercompañero tiene un espín de 1…por lo cual es un bosón. Lo mismo ocurre con cualquier fermión. Y viceversa: cualquier bosón del Modelo Estándar, como el fotón (espín 0), tiene un supercompañero que es un fermión (en este caso de espín 1/2, como el electrón), el fotino.
Los laureados con el Premio Nobel de Física de 2008 han presentado ideas teóricas que nos suministran una comprensión más profunda de lo que sucede en el interior de los ‘bloques’ más pequeños que forman la materia.
Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa: «Por el descubrimiento del origen de la ruptura de la simetría que predice la existencia de, al menos, tres familias de quarks en la naturaleza»
Yoichiro Nambu: «Por el descubrimiento del mecanismo de ruptura espontánea de la simetría en física subatómica». nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/index.html
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