++ APUNTES: El modelo Estandar

Escuchar entrevista a Murray Gell-Mann sobre el tema del modelo estandar en "Hablando con científicos"

VIDEO: TV3 QUE QUI COM - Atom: interrogant la matèria

MAS APUNTES

DOCUMENTAL: EL ATOMO

Fuente: Astrofísica y física

Nuevas evidencias de diferencias entre la materia y la antimateria

de Astrofísica y física de Verónica Casanova

Los neutrinos, partículas elementales generadas por las reacciones nucleares en el Sol, sufren una crisis de identidad al cruzar el Universo, pasando entre tres "sabores" diferentes. A sus homólogos de antimateria (que son idénticos en masa, pero opuestos en carga y spin) les ocurre lo mismo.

Según el modelo estándar de física de partículas, se denomina sabor al atributo que distingue a cada uno de los seis quarks: u (up, arriba), d (down, abajo), s (strange, extraño), c (charm, encantado), b (bottom, fondo) y t (top, cima).

En la terminología moderna se dice que los quarks se presentan en seis sabores, cada uno de los cuales puede tener uno de tres colores. De este modo, los quarks serían, en total, 18.

Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas (sabores): neutrino electrónico ( ne ), neutrino muónico ( nm ) y neutrino tauónico ( nt ) más sus respectivas antipartículas.

Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío. Dada la aleatoriedad del proceso, las proporciones entre cada uno de los sabores tienden a repartirse por igual (1/3 del total para cada tipo de neutrino) a medida que se producen sucesivas oscilaciones. Fue este hecho el que permitió considerar por primera vez la oscilación de los neutrinos.

Pero ahora un equipo de físicos del MIT han encontrado sorprendentes diferencias entre el comportamiento de conmutación de sabor de los neutrinos respecto a los antineutrinos. Si se confirma, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué la materia, y no la antimateria, domina nuestro Universo.

"La gente está muy emocionada por ello, porque sugiere que hay diferencias entre los neutrinos y antineutrinos", dice Georgia Karagiorgi, una estudiante de graduado del MIT y una de los líderes de los análisis de datos experimentales producidos por el experimento Booster Neutrino (MiniBooNE) en el Fermi National Accelerator Laboratory.

El nuevo resultado, anunciado en junio y enviado a la revista Physical Review Letters, parece corresponder a una de las primeras violaciones de la simetría CP: la teoría que dice que la materia y la antimateria deberían de comportarse de la misma manera. La violación de la simetría CP se vio anteriormente en los quarks, otro tipo de partícula elemental que se presenta en protones y neutrones, pero nunca en neutrinos o en electrones.

El descubrimiento también podría obligar a los físicos a revisar su modelo estándar, que cataloga todas las partículas conocidas que forman la materia. El modelo postula ahora que sólo existen tres sabores de neutrinos, pero un cuarto (o quinto o sexto) pueden ser necesarios para explicar los nuevos resultados.

"Si esto se demuestra, tendría implicaciones importantes para la física de partículas", dice John Learned, profesor de física en la Universidad de Hawai, que no forma parte del equipo de MiniBooNE.

Por el momento, los investigadores tienen datos suficientes para presentar sus resultados para presentarlo con un nivel de seguridad justo por debajo del 99.7% (llamado 3 sigma), que no es suficiente como para asegurar un descubrimiento. Para llegar a ese nivel, se necesita 5 sigma (99.99994%). “La comunidad demandará, con todo el derecho, unos resultados 5 sigma”.

Inesperadas oscilaciones.

Desde la década de 1960, los físicos han estado reuniendo pruebas de que los neutrinos pueden cambiar, u oscilar entre tres diferentes sabores - muón, tau y electrones, cada uno de ellos con una masa diferente. Sin embargo, aún no han sido capaces de descartar la posibilidad de que puedan existir más tipos de neutrinos.

En un esfuerzo por ayudar a concretar el número de neutrinos, los físicos del MiniBooNE enviarán haces de neutrinos o antineutrinos por un túnel de 500 metros, al final del cual se encuentra un tanque de 250.000 galones de aceite mineral. Cuando los neutrinos o antineutrinos choquen con un átomo de carbono en el aceite mineral, los rastros de la energía que quedan permiten a los físicos identificar el sabor de los neutrinos que participaron en la colisión. Los neutrinos, que no tienen carga, rara vez interactúan con otras materias, por lo que tales colisiones son raras.

MiniBooNE fue construido en 2002 para confirmar o refutar el descubrimiento controvertido que se obtuvo en un experimento en el Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) de Los Alamos. En 1990, el LSND informó de la aparición de un número mayor del esperado de antineutrinos que parecían oscilar a distancias relativamente cortas, lo que sugiere la existencia de un cuarto tipo de neutrino, llamado “neutrino estéril”.

En 2007, los investigadores de MiniBooNE anunciaron que sus experimentos con neutrinos no producen oscilaciones similares a las observadas en LSND. En ese momento, asumieron que lo mismo sería válido para antineutrinos. “En 2007, te habría dicho que podías descartar LSND”, dijo el profesor del MIT Janet Conrad, autor del nuevo documento.

MiniBooNE después cambió al modo de antineutrino y recolectó datos durante los siguientes tres años. El equipo de investigación no analizó ningún dato hasta principios de este año, cuando les sorprendió encontrar más oscilaciones de las esperadas para sólo tres sabores de neutrinos -el mismo resultado que el LSND.

Los físicos teóricos ya están publicando artículos en la red con teorías sobre los nuevos resultados. Sin embargo, “no hay una clara e inmediata explicación”, comentó Karsten Heeger, una física de neutrinos de la Univerisdad de Wisconsin. “Para estar seguros necesitamos más datos del MiniBooNE, y luego tenemos que hacer los test experimentales de forma diferente”.

El equipo planea recopilar datos de antineutrinos durante los próximos 18 meses. Conrad también espera lanzar un nuevo experimento que podría utilizar un ciclotrón, un tipo de acelerador de partículas en el que estas viajan en círculos en vez de en una línea recta, para intentar confirmar o refutar los resultados de MiniBooNE.

Más información en el enlace.

El modelo estandar que se acepta en estos momentos para entender como está compuesto el Universo, aunque debería hacerse la precisión que los modelos matemáticos o físicos para explicar el mundo no dicen que la materia esté compuesta de estas particulas sino que se comporta de una manera análoga a si estuviera compuesto de la siguiente manera: Se consideran cuatro tipos de partículas fundamentales:

Imagen tomada de La pizarra de Yuri

Partícula fundamental -> homólogas en estado sup. energía (2ª generación) -> homólogas en 2ª estado sup. energía (3ªgeneración)

electrón
muón
tau neutrino -> neutrino muonico ->neutrino tauonico
quark arriba ->quark encantado -> quark cima
quark abajo -> quark extraño -> quark fondo

Estos dos estados homólogos de energía superior, también disponen de mayor masa con lo que rápidamente se descompone en las partículas fundamentales. Según se cree en la actualidad no se puede fabricar una cuarta generación de particulas homólogas por mucha energía que se suministre. En las condiciones energéticas del inicio del Universo debieron crearse estas particulas de mayor masa y energía en cantidades considerables.

Clasificación de las particulas según su masa, tomando como referencia la masa del electrón, la más ligera de todas:
Particulas de peso ligero ->leptones : electrón
Hadrones Partículas de peso medio ->Mesones :
Hadrones Partículas de peso pesado ->Bariones : neutrón, protón (el más ligero del grupo)
Particulas sin masa ->foton (toda la energía es energía cinética)

Otra característica de las partículas es su carga electrica, que también está cuantificada, pudiendo tener una unidad de carga o dos, pero no fracciones. Todos los cuantos son del mismo tamaño.

Una tercera característica de las partículas es el spin, caracterizado por un giro de la particula siempre a la misma velocidad, siendo el número de revoluciones de un electrón el mismo para cualquier otro. si se modifica esta característica, la particula se destruye, deja de ser un electrón.

Todo esto se traduce en que las partículas tiene un momento angular fijo, definido y conocido. El spin se referencia al giro de un protón, como unidad. Los leptones disponen de 1/2 espin y los bariones de 0,1,2,3... veces el spìn de un protón.

Fuente: Universo a la vista

¿Cómo obtiene el protón su giro?

de Tropea

Los resultados de los más recientes experimentos proporcionan una mejor comprensión de la estructura interna del protón, el componente básico de todos los núcleos.
Interpretación artística de la estructura interna de un protón que muestra los quarks y pares quark-antiquark, con resortes que representan los gluones uniendo los quarks. Crédito: Klaus Rith.

En una reunión que tuvo lugar esta semana, de la American Physical Society en Washington, Bernd Surrow, Profesor Asociado de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), informó sobre los nuevos resultados del experimento STAR en el Colisionador de Iones Pesados Relativísticos (RHIC) que proporcionan una mejor comprensión de la estructura interna del protón, el componente básico de todos los núcleos.

El único colisionador de protones polarizados del mundo, en el Laboratorio Nacional Brookhaven (RHIC), en Upton, Nueva York, es utilizado por físicos del MIT para entender cómo el protón obtiene su giro (spin), una propiedad mecánica cuántica fundamental (el spin se manifiesta como un campo magnético intrínseco, una propiedad que es la base del sistema de imágenes por resonancia magnética o MRI). En 2009, protones con spin polarizado se chocaron en el RHIC en un centro de masa de alta energía record de 500 giga electrón volts (GeV). En esta alta energía -una energía 250 veces la masa de dos protones en colisión- los protones se mueven prácticamente a la velocidad de la luz y los quarks dentro del protón son capaces de "verse" entre sí en una resolución que es muy pequeña en comparación con el tamaño del protón. Esto permite a los científicos estudiar la estructura interna del mismo.

Nadie ha logrado aún realizar una descomposición de la rotación de protones en términos de sus componentes más elementales, los quarks y los gluones. La ilustración que acompaña este artículo muestra un modelo de lo complicado que son los "simples" protones; su estructura surge a través de la fuerza de interacción fuerte (de alcance nuclear) y es descripta por la teoría cuántica de quarks y gluones, conocida como Cromodinámica Cuántica (QCD). Esta teoría ha sido hasta ahora incapaz de explicar el origen del giro del protón; así de nuevo es el conocimiento obtenido a partir de los experimentos. Se ha establecido que los quarks representan sólo el 25 por ciento de giro del protón y datos anteriores de Brookhaven proporcionados por el equipo de Surrow indican que la contribución de los gluones también es pequeña.

Los protones tienen un spin de ½, un número cuya simplicidad es convincente, teniendo en cuenta que el protón está formado de varias partículas constituyentes.

¿Cómo lo hicieron?

Los resultados presentados esta semana en Washington han establecido una nueva manera de explorar la estructura de giro de los protones mediante la interacción débil (una de las cuatro fuerzas de la naturaleza, junto con la gravedad, el elctromagnetismo y la interacción fuerte), que es responsable de la desintegración radiactiva β (un proceso que convierte un neutrón en un protón, con emisión de un electrón y un antineutrino electrónico).

Diagrama de Feynman de una desintegración β-, proceso a través del cual un neutrón puede convertirse en protón. En la figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda, un quark down (en azul), emite una partícula W- (bosón) pasando a ser un quark up; la partícula emitida (W-) se desintegra en un antineutrino electrónico y un electrón. El protón y el neutrón pertenecen al grupo de los bariones en el modelo estándar. Son partículas formadas por tres quarks; el neutrón por un quark up y dos quarks down, y el protón por dos quarks up y un quark down. Crédito: Wikipedia.

La interacción débil es mediada por partículas muy masivas (alrededor de 80 GeV) conocidas como bosones W. En el RHIC, la polarización longitudinal de los haces de protones polarizados que chocan a altas energías permite en los experimentos observar directamente las interacciones débiles mediante la detección de los electrones en la desintegración de los bosones W producidos. Este proceso da lugar a una gran violación de la paridad de la señal. (Violación de la paridad significa que los resultados de la física son diferentes según el sentido en que ocurren los procesos, solo los componentes zurdos de las partículas y los componentes diestros de las antipartículas participan en la interacción débil en el modelo estándar. La paridad en cambio se conserva en el electromagnetismo, la interacción fuerte y la gravitación). Esta señal se ha establecido por primera vez mediante la medición cuidadosa del giro dependiente de la sección transversal (esta es una medida de la cantidad de colisiones, del nivel de impacto) bajo la dirección del grupo de Surrow en el Laboratorio de Ciencia Nuclear del MIT. El experimento STAR es muy adecuado para llevar a cabo estas mediciones, debido a su gran aceptación para la detección de los electrones producidos por la desintegración del bosón W. Además, se puede discriminar contrastando con los procesos de fondo de la interacción fuerte.
El bosón W y su lugar en el modelo estandar. Este modelo abarca tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza (no está integrada la gravedad): electromagnetisnmo, interacción (o fuerza nuclear) débil e interacción (o fuerza nuclear) fuerte. El bosón es la mediadora de la interacción débil. Crédito: Wikipedia.

La producción de los bosones W ofrece una herramienta ideal para estudiar la estructura de giro de los quarks del protón. Los bosones W son producidos en colisiones quark-antiquark y pueden ser detectados a través de sus respectivas desintegraciones de electrones. El análisis distingue el signo de la carga eléctrica del producto de la desintegración, lo cual proporciona una visión directa de la polarización de quarks a altas energías donde los cálculos fundamentales están bajo control. Los resultados del grupo de Surrow establecen claramente los diferentes patrones de polarizaciónde de los quarks arriba y abajo (up y down). Ellos son coherentes con los cálculos fundamentales en el Modelo Estándar (SM) de la física de partículas. Esta nueva técnica permite una sensibilidad directa frente a la polarización de anti-quarks.

Próximos pasos: el grupo de Surrow está también desarrollando nuevos detectores de seguimiento que aumentarán enormemente la capacidad de detectar la violación de la paridad en los eventos W en la toma de datos adicionales previstos para 2011/2012. Estas medidas se centrarán en la medición de la polarización de los anti-quarks, que sólo viven fugazmente en el protón.

Financiación: El trabajo en el MIT está apoyado por una subvención de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, así como el funcionamiento del complejo RHIC de Brookhaven. Algunos apoyos también son proporcionados por la Fundación Nacional de Ciencias para el experimento STAR y por Rikagaku Kenkyusho (RIKEN, Instituto de Investigación Física y Química) de Japón.

---

Traducción libre de:
How does the proton get its spin? (Anne Trafton, MIT News Office)

Fuente: La pizarra de Yuri

De la materia y de la energía.

Echando un vistazo a la naturaleza íntima de la realidad (I)

Todo lo que hay en este universo se manifiesta a nuestros ojos e instrumentos en dos formas bien conocidas: la materia y la energía. Este hecho simple, que es cierto hasta donde hemos llegado a observar –y a estas alturas hemos llegado a observar muy lejos–, ha dado lugar a numerosas disquisiciones científicas, filosóficas e incluso teológicas a lo largo de la historia. Pero, ¿qué son? ¿Cuál es su naturaleza? ¿Por qué están ahí?

Pese a cierta tendencia que tiende a considerar a la energía en un plano superior al de la corruptible y pecaminosa materia (como si en ete universo hubiera algo superior a cualquier otra cosa), la energía es la más básica y primaria, la menos organizada y más fácil de entender de las dos. Aunque, en realidad, las dos viajan indisolublemente trenzadas por el espacio y el tiempo: en el cosmos presente, no hay energía desvinculada de la materia ni materia desvinculada de la energía (la ecuación más conocida que relaciona la una con la otra es, naturalmente, E = mc²).

Cualquier manual de física elemental describe a laenergía como la capacidad de una fuerza para realizar un trabajo. Dicho muy a lo bruto: la característica fundamental de una energía es que hace cosas, o puede hacerlas: mover esto, calentar aquello, aniquilar lo de más allá.

Vemos, pues, que para tener energía hace falta una fuerza primero. Aunque de vez en cuando se postule alguna quinta fuerza más allá del Modelo Estándar, en estos momentos tenemos bien identificadas cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: fuerte o cromática, electromagnetismo, débil y gravedad. Cada una de ellas tiene una teoría que la explica, y una partícula asociada que la transporta; excepto la gravedad, donde se ha postulado el gravitón pero todavía no se ha observado. Repasémoslas:

• Interacción fuerte o cromática, estudiada por lacromodinámica cuántica. Es la más intensa de las cuatro, con muchísima diferencia. Mantiene juntos los quarks para formar protones y neutrones, y los protones y neutrones juntos para formar núcleos atómicos, estructuras esenciales de la materia. La partícula subatómica vinculada a esta fuerza es el gluón.
• Electromagnetismo, estudiada por la electrodinámica cuántica. Es cien veces más débil que la cromática. Mantiene juntos los núcleos atómicos con sus electrones para formar átomos, y las moléculas entre sí, lo que viene a constituir la materia macroscópica. La partícula mensajera de esta fuerza es el fotón.
• Interacción débil, estudiada por el modelo electrodébil. Es cien mil millones de veces más tenue que el electromagnetismo, y diez billones de veces menor que la cromática. Es la causante inmediata de la radiactividad. Sus partículas mediadoras son los bosones W y Z.
• Gravedad, estudiada por la relatividad general. Aunque no lo parezca cuando nos caemos, o cuando vemos planetas orbitando alrededor de sus soles o galaxias en sus supercúmulos, es inconcebiblemente débil: cuatrillones de veces más tenue que las anteriores. Su partícula mensajera hipotética, el gravitón, resulta complicadísima de encontrar debido a su baja interacción con el resto de la realidad. Se requerirán, por tanto, aceleradores de partículas muy potentes –más que el LHC– para detectarla sin duda de ninguna clase.
  

Las cuatro fuerzas fundamentales tienen características comunes, y la más notoria de ellas es que las cuatro obedecen a la teoría de campos (clásica y cuántica). Estas similitudes nos hacen sospechar que todas ellas forman parte de una realidad que las engloba y explica conjuntamente; por eso, los físicos de altos vuelos andan detrás de una teoría del campo unificado que explicaría una gran parte de la realidad y abriría el paso a la teoría del todo. En estos momentos, la teoría electrodébil unifica ya en gran medida la interacción débil con el electromagnetismo.

¿Y la materia? La materia podría definirse como cualquier cosa que tiene masa y ocupa un volumen en el espacio; aunque algunas de las partículas transportadoras de fuerzas, como los bosones W y Z, también poseen estas propiedades. La materia bariónica –esa que constituye todo lo que vemos y tocamos, incluyéndonos a ti y a mí– está compuesta por quarks y leptones (el leptón más conocido es el electrón). La inmensa mayoría, sólo por cuatro de ellos: el quark arriba, el quark abajo, el electrón y el neutrino.

Aunque las características de la masa son bien conocidas, su naturaleza profunda aún permanece oculta. Elbosón de Higgs, comúnmente conocido como la partícula de Dios, podría haber sido clave en el surgimiento de la misma mediante el mecanismo de Higgs. El mecanismo de Higgs, que puede quedar a nuestro alcance gracias al LHC e incluso se puede aproximar en el Tevatrón, explicaría la manera en que la energía se convirtió en materia y puede dar un paso de gigante hacia la comprensión de cómo empezó todo.

Sabemos que la materia bariónica (corriente) se organiza en átomos. Dependiendo del número de protones que haya en el núcleo de cada átomo, estaremos ante un elemento u otro: esto es el número protónico, más conocido como número atómico. Un átomo cuyo núcleo alberga un solo protón, por ejemplo, es hidrógeno. Si tiene dos, es helio. Si tiene tres, litio. Si tiene seis, carbono. Si tiene ocho, oxígeno. Si contiene 79 será oro, 92 y tendremos uranio, 94 y será ya plutonio. Y así con todos. La tabla periódica de los elementos de Mendeleev nos lo organiza de una manera muy visual:

No todos los núcleos atómicos son estables. De hecho, sólo existe un estrecho rango de combinaciones estables entre protones y neutrones. En realidad, cualquier núcleo con más de 83 protones (es decir, el bismuto) es esencialmente inestable y tiende a dividirse rápidamente en otras cosas, con las notables excepciones del torio y el uranio, que aunque no son estables del todo aguantan bastante tiempo (tanto, que aún los podemos encontrar en las minas). Glenn Seaborg postuló la posible existencia de una isla de estabilidad más allá del número atómico 100, lo que permitiría crear en un reactor nuclear o un acelerador de partículas átomos más o menos firmes de elementos excepcionales que actualmente no están presentes en el universo. De momento, esto no se ha conseguido.

Es posible convertir unos elementos en otros en el laboratorio: el sueño del viejo alquimista hecho realidad. Por ejemplo, es relativamente fácil transmutar mercurio en oro irradiándolo con rayos gamma. Pero si estás pensando en montarte un negociete, me temo que no es posible en el momento actual: este oro es enormemente caro, mucho más que el natural, debido al coste de la energía necesaria. La plata, el paladio, el rodio y el rutenio se extraen habitualmente del combustible consumido en los reactores nucleares (originalmente, uranio) aunque, de nuevo, no acaba de ser económico.

Una propiedad intrigante de la materia es la dualidad onda-partícula que estudia (entre otras muchas cosas) lamecánica cuántica (ver este curiosísimo video). Algunos piensan que esto debe ser alguna clase de brujería, pero se verifica constantemente en el laboratorio: la materia puede comportarse a la vez como si fuera materia y energía, y se decanta por ser una cosa u otra según la interacción a que se vea sometida. Esta característica tan peculiar y contraria al sentido común nos ha abierto unas puertas extraordinarias para comprender mejor la naturaleza íntima de la realidad.