La aventura de la física de partículas E-Book

Antonio Ferrer Soria

• Herausgeber: Publicacions de la Universitat de València
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 79

Veröffentlichungsjahr: 2019

Beschreibung

'La aventura de la física de partículas. Un viaje de un siglo para construir el modelo estándar' es un texto de carácter divulgativo que aborda en diez capítulos la descripción de los grandes hitos y descubrimientos que han permitido la validación de la teoría, denominada modelo estándar, que explica las fuerzas fundamentales que actúan entre los constituyentes elementales de la materia. En este relato histórico se presentan las ideas y los hallazgos de los experimentos más famosos, identificando los premios Nobel galardonados por ellos. Los autores son profesores e investigadores de la Universitat de València y participan en el experimento ATLAS del CERN, que descubrió en 2012 el famoso bosón de Higgs.

Leseprobe

LA AVENTURADE LAFÍSICA DE PARTÍCULAS

UN VIAJE DE UN SIGLOPARA CONSTRUIR EL MODELO ESTÁNDAR

Antonio Ferrer Soria, Eduardo Ros Martínez

LA AVENTURADE LAFÍSICA DE PARTÍCULAS

Un viaje de un siglopara construir el modelo estándar

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA

Esta publicación no puede ser reproducida, ni total ni parcialmente, ni registrada en, o transmitida por, un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, ya sea fotomecánico, fotoquímico, electrónico, por fotocopia o por cualquier otro, sin el permiso previo de la editorial.

© Del texto: Antonio Ferrer Soria y Eduardo Ros Martínez, 2019

© De esta edición: Universitat de València, 2019

Producción editorial: Maite Simón

Diseño y maquetación: Celso Hernández de la Figuera Corrección:

Iván García Esteve

Diseño de la cubierta: Celso Hernández de la Figuera y Maite Simón

Imagen de la cubierta: colisionador LEP del CERN

ISBN: 978-84-9134-531-2

Índice

Introducción

1. Las partículas elementales

1. Familias de partículas

2. Interacciones

3. Aceleradores

4. Detectores

2. Electrones y positrones

1. J. J. Thomson y el electrón

2. Los rayos catódicos

3. Dirac y el positrón

4. La antimateria

3. El fotón y la teoría QED

1. Los rayos gamma

2. El efecto fotoeléctrico

3. El efecto Compton

4. QED

4. Los quarks ligeros

1. Partículas subnucleares

2. La interacción fuerte

3. Los hadrones

4. La hipótesis de los quarks

5. Los leptones cargados

1. El electrón

2. El muon

3. El leptón tau

4. Los leptones y QED

6. Los neutrinos

1. La hipótesis del neutrino

2. La interacción débil

3. Los tres neutrinos

4. La masa de los neutrinos

7. Los quarks pesados

1. Nuevos aceleradores y detectores

2. El quark c

3. El quark b

4. El quark t

8. El modelo estándar

1. La interacción electrodébil

2. Las corrientes neutras

3. Descubrimiento de W y Z

4. Test del modelo estándar

9. Los gluones y QCD

1. El modelo de partones

2. El color de los quarks

3. La libertad asintótica

4. Jets y gluones

10. El descubrimiento del bosón de Higgs

1. Mecanismo de Higgs y modelo estándar

2. Búsquedas en colisionadores e+e− y p/pp

3. El acelerador y los detectores del LHC

4. Descubrimiento del bosón de Higgs

Epílogo. La orla de premios Nobel del modelo estándar

Créditos de las fotografías

Bibliografía

Introducción

Los avances realizados por la física en el siglo XX han revolucionado el conocimiento científico. Los progresos fueron enormes. En el primer tercio del siglo se fundamentó la teoría atómica de la materia gracias al desarrollo de la mecánica cuántica, y se mejoró la teoría de la gravitación de Newton gracias a las aportaciones de A. Einstein y su teoría de la relatividad general. En la segunda mitad del siglo se profundizó hasta límites insospechados en el conocimiento de los constituyentes elementales de la materia, gracias al desarrollo de los aceleradores de partículas, que en tan solo cincuenta años multiplicaron la energía de los haces en más de un millón de veces.

En el campo de las aplicaciones, la física ha dado lugar a notables descubrimientos que han aportado un mayor bienestar a la sociedad. Por ejemplo, la utilización pacífica de la fisión nuclear para producir electricidad masivamente, hasta el punto de generar más del 20 % de toda la energía eléctrica mundial a finales del siglo XX. Por otra parte, es posible que la fusión nuclear acabe siendo la solución final a la generación masiva de energía eléctrica, reduciendo considerablemente las emisiones nocivas de CO2 a la atmósfera, causadas por la quema de combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. Otros ejemplos son las valiosas contribuciones a la física médica o la invención de la World Wide Web, que conectó al mundo.

Este breve glosario tiene por objetivo introducir al lector en el mundo de lo infinitamente pequeño, utilizando para ello la descripción de los grandes descubrimientos realizados en los últimos cien años y accediendo a toda una serie de conceptos que inundan la literatura científica. Todos esos conceptos, como el fotón, el electrón o los quarks, son explicados a la luz de las ideas y de los experimentos que los descubrieron, identificando en cada caso el premio Nobel de Física que fue laureado por dicho descubrimiento. El viaje culmina en 2012, cuando se identificó el bosón de Higgs en los experimentos del LHC del CERN, en Ginebra. Este suceso puede calificarse de gesta histórica, pues se tardó casi cincuenta años en descubrirlo después de su predicción teórica.

Esperamos que el lector disfrute al leer estas páginas, de la misma manera que nosotros hemos disfrutado al escribirlas.

1 Las partículas elementales

El hombre, ser inteligente, ha buscado infatigablemente responder a la pregunta de qué está hecho el Universo (entorno natural en el que se ha desarrollado la vida) y comprender las leyes que rigen su comportamiento. Este es el conjunto de conocimientos que definen la física. Durante el siglo XX la comprensión del Universo ha tenido un desarrollo notable; ya se dispone de una teoría cosmológica bien establecida que explica el origen y evolución del Universo: la teoría del Big Bang. El Universo que conocemos se originó hace unos 13.500 millones de años, como consecuencia de una fluctuación cuántica; en ese instante la materia estaba en equilibrio con la radiación (fotones) y con la antimateria, a una temperatura y densidad infinitamente grandes. A partir del Big Bang, el Universo inicia su evolución, es decir, nacen el espacio y el tiempo y se expanden. La física de partículas y la cosmología comparten su interés por estudiar este instante inicial en el que las partículas elementales: los quarks, leptones y bosones intermediarios, están interaccionando entre sí y en equilibrio con sus antipartículas y con la radiación (los fotones). La expansión del Universo implica enfriamiento, esto es, la energía media de las partículas va disminuyendo y hay reacciones entre ellas que ya no son posibles y desaparecen. En este proceso evolutivo se atraviesan varios umbrales, como la nucleosíntesis primordial, tres segundos después del Big Bang, cuando se forman los protones y neutrones, o la aparición de los átomos de hidrógeno (300.000 años después), que rompe el equilibrio materia-radiación debido al desacoplamiento de la radiación, con lo que la luz viaja libremente y va perdiendo energía con el tiempo. Esta es hoy la radiación de fondo de microondas, considerada como una de las reliquias más convincentes de la teoría del Big Bang.

El estudio de los constituyentes y sus interacciones progresó enormemente durante el siglo XX gracias al desarrollo de aceleradores y detectores de partículas, que se beneficiaron del desarrollo paralelo de nuevas y modernas tecnologías. La teoría que aborda el estudio de las partículas elementales y sus interacciones se denomina modelo estándar. En lo que sigue, se describirá un resumen de su historia en estos últimos cien años.

FAMILIAS DE PARTÍCULAS

La idea de que la materia está formada por entes elementales es muy antigua, ya que se remonta a la antigua Grecia. Sin embargo, esta idea ha evolucionado considerablemente a lo largo de la historia. En 1869, Mendeléyev establece la célebre tabla periódica de los elementos, que contiene lo que los científicos del siglo XIX consideraban como constituyentes elementales de la materia. Hoy día sabemos que estos constituyentes, los átomos, no son elementales, sino que están formados por electrones y un núcleo. Este núcleo tampoco es elemental: está formado por dos tipos de bariones: los protones y los neutrones, que a su vez están compuestos por entes todavía más elementales, los quarks u y d, ligados por la interacción fuerte propagada por gluones. Según los conocimientos actuales, existen únicamente doce constituyentes elementales de la materia (muchos de ellos inestables y por tanto inexistentes en la naturaleza) que se pueden agrupar en cuatro series distintas: los leptones cargados (como el electrón), los leptones neutros (o neutrinos), los quarks de tipo u con carga +2/3 y los quarks de tipo d con carga -1/3, en unidades de la carga absoluta del electrón (que es negativa por convenio). Aparecen tres familias de constituyentes, pero solo la primera forma la materia bariónica del Universo.

Todas estas partículas elementales reciben el nombre de fermiones elementales. Han sido descubiertas a lo largo del siglo xx: la primera, el electrón, en 1897, y la última, el quark t, en 1995. Otro descubrimiento muy importante ha sido el de la existencia para cada una de estas partículas de una antipartícula, es decir, otra partícula idéntica, pero con carga eléctrica opuesta. Existe finalmente otro tipo de partículas, llamadas bosones elementales, que son las responsables de las interacciones.

INTERACCIONES

L os fermiones elementales pueden interaccionar entre ellos según cuatro tipos distintos de interacción: electromagnética, gravitacional, fuerte y débil. Las interacciones electromagnética y gravitacional son de largo alcance y sus propiedades son bien conocidas en el marco de la física clásica desarrollada a lo largo del siglo XIX