23 ene. 2011

Partículas Elementales

Entrevista a María José Herrero - Profesora de Física Teórica, tomado de Física hoy.

La Física de Partículas se ocupa del mundo sub-sub-atómico. Y si nos fijamos en los nombres que reciben esas porciones de materia, más pequeñas que los átomos, llegaremos a la conclusión de que nada está lejos entre sí. Ni siquiera la Física de la Literatura o la Poesía. Aun con todo, los laboratorios donde se desentrañan los secretos de la Materia son bastante "groseros", en el fondo: enormes conductos donde se confina cantidades descomunales de energía para lanzar partículas que se estrellan entre sí...


Empecemos por la pregunta más básica: ¿qué estudia y cuál es la importancia de la Física de partículas?...

"El mundo de la Física de Partículas se mueve en el marco de la Física Cuántica, concretamente en el mundo "sub-sub-atómico""

A un nivel muy simple, la Física de Partículas o Física de Altas Energías (luego entenderás porqué también se denomina así) es importante porque si conociéramos los componentes más básicos de la materia, lo que denominamos partículas elementales (son elementales porque, supuestamente, no se pueden dividir a un nivel más pequeño) y sus interacciones esto implicaría conocer el comportamiento de toda la materia, su forma de interactuar y, consecuentemente, entenderíamos mejor el mundo que nos rodea, porqué los cuerpos se atraen o no, porqué la materia se transforma, porqué vemos las imágenes en un televisor, porqué escuchamos nuestras voces en un teléfono fijo, y en uno móvil.....

El mundo de la Física de Partículas se mueve en el marco de la Física Cuántica, concretamente en el mundo "sub-sub-atómico", lo que en términos de medida sería lo que vemos a distancias tan pequeñas como 1/1000000000000000000 metros es decir un mundo muy, muy pequeñito....

¿Y no hay nada más pequeño?...

Bueno, los físicos entendemos que, por ahora, no hay nada más pequeño.... aunque en la ciencia siempre hay que estar preparado para sorpresas. La naturaleza nos ha sorprendido varias veces a lo largo de la historia mostrándonos nuevas estructuras que no nos esperábamos. Quizás en el futuro encontremos nuevas estructuras, pero de momento aceptamos que toda la materia conocida esta hecha de dos tipos de partículas elementales: quarks y leptones. De arriba abajo en estructura, si partimos de las moléculas y bajamos un nivel, nos encontramos con los átomos, en los átomos está el núcleo y, orbitando sobre éste, los electrones. Dentro del núcleo, los protones y neutrones y dentro de estos, los quarks . Los electrones pertenecen a un grupo de partículas que se llaman leptones (que en griego significa “ ligeros”, es decir de masa muy pequeña), al que pertenecen también otras partículas, muy parecidas a los electrones (réplicas o clones de los electrones), y los llamados neutrinos (el nombre viene de que son neutros, es decir sin carga eléctrica, y por que son muy muy ligeros). En total hay seis quarks diferentes y seis leptones diferentes que se agrupan en tres familias o también llamadas generaciones. No te menciono los nombres para no liar mucho el asunto, y porque tengo que reconocer que suenan un tanto ridículos (quark “extraño”, quark “con encanto”, etc.… ). La propia palabra quark no significa nada concreto, simplemente fue el capricho del físico que planteó su existencia (Gell-Mann) al extraer ese nombre de una obra de James Joyce (‘Finnegans Wake’).

¡Ah, referencias literarias!... ¡aire fresco!

...Y eso que he evitado nombrarte todos los leptones que se conocen...¡pura poesía en griego!...

¿Cuáles son vuestros laboratorios? ¿Qué instrumental usáis para profundizar tanto?

Te voy a responder haciendo, antes, una breve descripción del marco teórico:

Hoy nos movemos en el marco de lo que llamamos Modelo Estándar de las partículas elementales... En este modelo se incluyen todas las partículas elementales que antes te he mencionado y que forman toda la materia del Universo. Pero, a su vez, estas partículas interaccionan entre sí. En Física Cuántica, toda interacción entre partículas se concibe como un intercambio de otra partícula elemental que representa el "cuanto" (porción de energía) transferido en esa interacción. De manera que tenemos las partículas de materia, con masa, y otro tipo de partículas, también variadas aunque no tanto, que son las mediadoras de las interacciones entre las primeras y que determinan la fuerza de dicha interacción. Por ejemplo: en las interacciones electromagnéticas, las más comunes y de las cuales dependen todos los dispositivos eléctricos que nos rodean, desde una televisión, hasta un ordenador o teléfono, las partículas que se intercambian en la interacción son los fotones, que representan la fuerza electromagnética. El resto de las interacciones relevantes se resumen en:

la interacción o fuerza débil que se manifiesta en la radiactividad y la fuerza fuerte que hace que se mantengan unidos los quarks dentro de los protones y neutrones, y los protones unidos con los neutrones en el núcleo atómico. Las interacciones gravitatorias no parecen ser relevantes en la Física de Partículas, aunque ahora hay mucha discusión sobre esto….

Pero tú preguntabas sobre los aceleradores de partículas...

Si...

"si quieres observar o penetrar la materia a un nivel muy profundo, necesitas mucha energía... y viceversa..."

Bien, la idea es que en Física Cuántica hay un concepto básico que consiste en que si quieres observar o penetrar la materia a un nivel muy profundo, necesitas mucha energía. Es decir, para observar pequeñas distancias, o longitudes de onda cortas, necesitamos energías grandes, y viceversa: para explorar distancias grandes necesitamos energías pequeñas.

De manera que un físico experimental, para acceder a distancias muy pequeñas, necesita de dispositivos de gran energía, como son los aceleradores que se basan en la generación de una determinada energía, la cinética, a base de acelerar a una grandísima velocidad (muy cercana a la velocidad de la luz) ciertas partículas.

Pero otro principio elemental es que la energía ni se crea ni se destruye sino que se transforma.

Así que, esa energía cinética acumulada, se puede transformar en otra forma de energía quizás más interesante y ahí está la gracia de los aceleradores. Por ejemplo, si ponemos un electrón en uno de estos anillos de colisión (los aceleradores), lo aceleramos más y más hasta que adquiera mucha energía cinética, y finalmente lo hacemos colisionar frontalmente (no nos sirve de mucho mantenerlo dando vueltas eternamente, ¡sería aburridísimo!) contra otro electrón que circula en sentido contrario, habremos conseguido que se acumule una gran cantidad de energía. Y te preguntarás a dónde va a parar tal cantidad de energía…. Pues bien, como existe otro concepto capital en la Física de partículas, que es que la materia, la masa, es también una forma de energía (de ahí la fórmula de Einstein , E=mc2), la energía liberada en la colisión se transforma en la creación de nuevas partículas que pueden ser mucho mas masivas que las de partida. Parece magia, ¿verdad?. Todas estas partículas resultantes de la colisión son las que los físicos medimos y estudiamos, mediante detectores especiales, en los experimentos que se desarrollan en los aceleradores de partículas.

Estos aceleradores serán máquinas enormes, potentísimas...

"...el acelerador de partículas más popular de la historia es la propia televisión"

Pues para que veas: el acelerador de partículas más popular de la historia es la propia televisión... Esta es, básicamente, un tubo de rayos catódicos, incandescente, que desprende electrones y que, a su vez, son acelerados mediante un campo electromagnético para que impacten en una pantalla. Cada impacto de electrón produce un punto en la pantalla y el conjunto de impactos configura la imagen que vemos. La diferencia con un acelerador de partículas, por ejemplo el llamado LEP (Large Electron-Positron Collider), ubicado en las instalaciones del CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire), es que la energía inducida a ese electrón es cien millones de veces mayor que la de la televisión...

Creo que alguna vez he leído que lo que se trata en esos aceleradores es reproducir las condiciones en las que surgió el Universo...

Sí, lo que se reproduce en un laboratorio de física son las condiciones que teóricamente existían instantes después del nacimiento del Universo, es decir, un Universo a mayor temperatura que el que conocemos....De nuevo la gran energía producida en un laboratorio se traduce en otro tipo de energía, en este caso calor. Evolucionando desde ahora hacia atrás en el tiempo, y utilizando como sistema una teoría de gases general (pensemos en las ruedas de los coches que ganan presión cuando se ponen en marcha, como consecuencia de la energía cinética; ese mismo aire, liberado, se expande y se enfría), debemos presuponer que ese viaje implica un aumento progresivo de temperatura. En el origen, estaría el famoso Big-Bang: a partir de aquella explosión, el Universo se va expandiendo y, en consecuencia, enfriando...

¿Qué cosas hay por ahí cuyo descubrimiento o confirmación supondrán un salto cualitativo para la Física Teórica? ¿Cuáles son los enigmas?...

"...hay mucho esfuerzo, dinero e ilusión puestos en el próximo acelerador europeo de partículas en el CERN, llamado LHC..."

Pues... Desde un punto de vista tangible o terrestre, digamos, el primer paradigma a resolver es la confirmación o descarte de la partícula denominada bosón de Higgs (nombre en honor al físico que la propuso), cuya existencia es muy importante. Esta partícula aparece como una predicción matemática, dentro del marco del Modelo Estándar antes mencionado, pero no existe de momento ninguna evidencia experimental de su existencia. La importancia de esta partícula es que resulta ser la responsable que el resto de partículas constituyentes de la materia tengan masa... Si se lograra esa evidencia, es decir, si se detectara el bosón de Higgs sería un gran triunfo que ayudaría a explicar aspectos esenciales de la materia. Si, por el contrario, no se encontrara, tendríamos que cambiar profundamente nuestra concepción del origen de la masa… Por eso, hay mucho esfuerzo, dinero e ilusión puestos en el próximo acelerador europeo de partículas en el CERN, llamado LHC (Large Hadron Collider), en el que se espera encontrar dicha partícula.

Otro paradigma, éste un poco más abstracto. Durante décadas, se ha intentado incorporar a ese esquema que hemos llamado Modelo Estándar, el otro tipo de interacciones, aparentemente menos relevantes, las interacciones gravitatorias. Se trata, en definitiva, de construir un nuevo marco teórico, que incorpore todas las interacciones entre las partículas, es decir, las gravitatorias, las electromagnéticas, las fuertes y las débiles, y que podría conducirnos a nuevos paradigmas cuánticos. ¿Y porqué es importante esto? Pues por que si uno pretende entender el Universo desde sus orígenes, no solo debe entender las fuerzas gravitatorias de acuerdo con la Física Newtoniana o clásica, sino también la gravitación a escala cuántica. Si aceptamos lo que propone la comunidad científica sobre el origen del Universo, que estaba comprimido en una pequeñísima región referida a unas coordenadas de espacio-tiempo (la teoría del Big-Bang), necesitamos explicarlo partiendo de la gravitación cuántica, que es la que funciona en esas pequeñísimas distancias, muy inferiores a la escala sub-atómica.

Ya... ¿y eso es lo que hacéis los físicos de partículas hoy en día: buscar la confirmación científica para determinados modelos teóricos?...

Sí, somos bastante cabezotas, lo sé... Hoy, muchos físicos teóricos trabajan en las denominadas Teorías de Supercuerdas que podrían conducir a una unificación de las interacciones. Si las Partículas Elementales se estudiaban desde una aproximación puntual, es decir, desde una focalización sobre un punto en un momento determinado, hoy se trabaja sobre una extensión, o sea, sobre una cuerda......El prefijo Super hace mención no al tamaño de las cuerdas como uno podría pensar, sino a una nueva simetría de las cuerdas llamada Supersimetría. Estas teorías necesitan, por coherencia, desarrollarse en un espacio-tiempo de más de cuatro dimensiones, es decir, habría otras dimensiones, además de las tres coordenadas espaciales y el tiempo, que son las que conocemos. Estamos hablando, por tanto, de otros mundos absolutamente desconocidos que podrían conducir a fenómenos insospechados...Y no me refiero a nada "paranormal", sino a posibles manifestaciones contrastables en un laboratorio...¡lo que es bastante fascinante!

Hombre, cinco, seis o siete dimensiones, al mismo tiempo, es bastante "paranormal"...

Bueno, muchos de los trabajos que hoy en día se vienen haciendo en el campo de la Física Teórica, están un tanto alejados de la realidad que vivimos. Está por ver que efectivamente se corroboren experimentalmente, como dicta el método científico... En mi opinión, muchos modelos son bastante especulativos....

Me comentas que vuestra principal herramienta son las matemáticas. ¿Significa eso que no pisáis los laboratorios?...

"Los físicos teóricos de partículas, como yo, no tenemos una relación demasiado directa con el instrumental de investigación... "

Los físicos teóricos de partículas, como yo, no tenemos una relación demasiado directa con el instrumental de investigación... No obstante, mi caso se encuentra un poco 'a caballo' entre la parte teórica y la experimental. No tengo una relación directa con el laboratorio pero leo mucho y enseño a mis estudiantes técnicas experimentales de investigación. Por otro lado, hoy en día la Física Experimental de Partículas tampoco podría concebirse sin la Física Teórica de Partículas. Yo tengo, evidentemente, que estar al tanto de las últimas tecnologías y aplicaciones de interés, como de las matemáticas aplicadas o las tecnologías modernas de computación...Ya sabes que Internet (concretamente la red llamada www) lo inventaron los físicos de partículas, en el CERN, como resultado de una demanda, de la necesidad de un medio de comunicación de esas características.

¿Cómo llegan los alumnos a tus clases? ¿Vienen con las matemáticas aprendidas?

Vamos a ver, la formación en Matemáticas de los alumnos cuando llegan a la universidad es, en general, mala. Hemos ganado, con las generaciones de ahora, un cierto sentido práctico, la gente necesita conocer las aplicaciones directas de lo que estudia. Vale. Sin embargo, desde el punto de vista de las ciencias puras, en mi opinión, los estudiantes han perdido una cierta capacidad de abstracción. De todos modos, creo que en esta facultad tenemos un buen sistema de enseñanza que posibilita el que, cuando lleguen a la materia que yo imparto, Física de partículas, en la última parte de la carrera, ya tengan una buena formación en Matemáticas, imprescindible para abordar esta materia.

¿Tenéis futuro los teóricos?... (silencio... siempre es una pregunta un poco delicada, pero eso ya lo sabía así que, yo tampoco, muevo un pelo).

Es cierto que se han abierto otros campos, de naturaleza interdisciplinar, como la bio-física o la nano-tecnología, que atraen la atención científica en la actualidad por sus aplicaciones a la vida cotidiana... ¡pero la Física Teórica tiene todavía mucho que decir! (¡viva!). De hecho, llevamos tiempo preparando un experimento del que esperamos grandes resultados. Se trata, como ya he comentado antes, del LHC , el Gran Colisionador de Hadrones, estrechamente ligado al ya existente LEP que también mencioné antes, ubicado en las instalaciones del CERN, en la frontera entre Francia y Suiza. Se aprovecha el túnel subterraneo ya existente del LEP para acomodar allí mismo el nuevo acelerador LHC. En dos tubos separados se conseguirán acelerar en sentido contrario dos haces de protones, uno por cada tubo que luego se cruzan haciendo posible la colisión frontal de los haces. De este modo se podrán estudiar las colisiones de protones contra protones, con energías de unos catorce billones de electrón-voltios (catorce mil millones de veces más energéticos que los electrones de la televisión!). Quizás allí se produzcan nuevas partículas completamente desconocidas por nosotros o encontremos manifestaciones inesperadas de las supuestas nuevas dimensiones…También se analizarán los choques entre iones muy pesados (mucho más que los del hidrógeno) para crear una especie de plasma de quarks que simule los primeros instantes de la evolución del Universo... No, no creo que nos falte material de estudio en el futuro...

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