La Historia Sin Fin

Historia de los átomos, tercera parte.

Fin de la pausa, ahora continuamos.

La Desintegración Beta y sus consecuencias.

En la década de 1930, se continuaron consiguiendo evidencias de partículas sub atómicas, como sucedió al estudiar la “desintegración Beta”, se diagnosticó la existencia de una tercera partícula con carga eléctrica nula y masa cercana a cero, la cual no pudo ser observada, en ese entonces. 

La primera explicación teórica fue de Enrico Fermi (1901 – 1954), dada a conocer en 1933, durante el séptimo Congreso Solvay, cuyo tema de trabajo fue “La estructura del núcleo atómico”.

Fermi anticipó la existencia de una partícula, ello lo documentó en su trabajo “Tentativo di una teoria dei raggi beta”, también desarrollo la primera teoría de la “fuerza nuclear débil”, ya comentada en la segunda entrega de esta serie.

En 1932 Carl David Anderson (1905 – 1991), había aportado en el tema de la desintegración Beta, el descubrimiento del positrón, el electrón con carga positiva similar al protón, pero con masa similar al electrón. Además en 1936 , fue el descubridor deotra partícula llamada “muón” idéntica a un electrón, salvo por ser doscientas veces más pesada que este y surgió al estudiar los rayos cósmicos. 

Finalmente en 1938 descubrió una partícula más: "el mesón", ahora conocido como "mesón ý", también relacionada con los rayos cósmicos.

El Auryn de la "Historia Sin Fin" de Wordpress.com

Carl David Anderson fue elganador del Nobel de Física en 1936 por el descubrimiento del positrón.

Al contrario que en los casos de “desintegración Alfa” o de la “emisión Gamma”, para la “desintegración beta” el aspecto energético de las partículas beta es continuo, y de acuerdo al principio de conservación de la energía, la energía total de la partícula emitida en la “desintegración Beta” debe ser igual a la diferencia de energías del núcleo original al del núcleo resultante.

En apariencia en el proceso se pierde una cantidad de energía, por lo que Wolfgang Ernst Pauli (1900 - 1958), para explicar esta situación propuso la existencia de una partícula sin carga eléctrica, sin masa, ni “interacción fuerte”, por tener estas raras características la posibilidad de que dicha partícula interactuara con la materia es muy baja, cálculos de la física cuántica indican que sería necesaria un bloque de plomo de longitud de un año luz (9.46 billones de kilómetros) para detener la mitad de partículas que lo atravesaran.

Aprovecho el momento para difundir una cómica anécdota de Pauli.

Al morir Pauli, de inmediato es recibido en el cielo y viene hacia él Dios mismo.

Lo saluda y le pregunta a Pauli: ¿Qué quieres saber?

Pauli le dice: Por favor explicame el valor inverso de 137, que corresponde a la constante de la estructura fina.

Entonces Dios, se hace de un pizarrón y empieza a escribir en él, las fórmulas necesarias.

Después de un pequeño rato, Pauli se levanta irritado, diciendo, mientras señala un paso en el desarrollo plasmado en el pizarrón: ¿Das ist Falsch!.

La última de las anécdotas de Pauli, todas verdaderas, según George Gamow (1904 – 1968). Este físico y astrónomo de origen ruso (Gueórgui Antónovich Gamóv), se nacionalizó norteamericano en 1940, y tenía una amplia gama de intereses, entre otras: investigación sobre el código genético (ADN), así mismo publicó libros de relatos fantásticos y humorísticos, que servían para divulgación de teorías y principios sustentados en el avance de la ciencia, llevando a la vida del día a día las teorías de la relatividad y mecánica cuántica. Era un hombre de una estructura física bastante grande, media un poco más del metro con noventa centímetros y pesaba un poco más de los cien kilogramos. Pero sobre todo esto, poseía un gran sentido del humor, lo que le valió ser reconocido en ese sentido por la prensa.

Concluyendo con la desintegración Beta, diremos que en este evento se emite una partícula Beta, que es o un electrón (en una emisión Beta negativa) o un positrón (en una emisión Beta positiva), así como un anti neutrino electrónico o un neutrino electrónico.

Desintegración Beta, tomado de blog1310Wikipedia

La diferencia fundamental entre electrón (e-) y partícula Beta negativa, o un positrón (e+) y una partícula Beta positiva, es el origen nuclear de las partículas, es importante señalar que una partícula Beta no es un electrón ordinario expulsado de un orbital atómico.

Queda claro que en este tipo de desintegración la suma de protones o neutrones, conocido como número másico, permanece estable, dado que la cantidad de neutrones disminuye (o aumenta si la emisión es Beta positiva) en una unidad, mientras que la cantidad de neutrones aumenta (o disminuye ) también en una unidad. El resultado del decaimiento beta es un núcleo en que el exceso de neutrones o de protones se ha corregido en dos unidades y por tanto resulta más estable.

Actualmente se comenta de la siguiente manera: los nucleones interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte residual: eso implica que en un núcleo atómico normal los protones están transmutando continuamente en neutrones y viceversa mediante reacciones de dos posibles tipos:

En la primera un protón emite inicialmente un pión positivo convirtiéndose en un neutrón, el pión positivo es reabsorbido por un neutrón convirtiéndose en un protón, el efecto neto de ese intercambio es una fuerza atractiva. 

En la segunda, un neutrón emite un pión negativo y se convierte en un protón, el pión negativo al ser reabsorbido por otro protón da lugar a un neutrón. Estas dos reacciones tienen lugar a través de la interacción fuerte y son mucho más probables que las reacciones competidoras, las generadas por la interacción débil.

Esto es, cuando hay una exceso de protones al emitir alguno de ellos un bosón W positivo, es más difícilmente reabsorbido por un neutrón y el bosón entonces devenga en un positrón y un neutrino.

En forma similar un exceso de neutrones dificulta la reabsorción de un bosón W negativo, que al desintegrarse antes de la absorción da lugar a un electrón y a un anti neutrino.

Lo anterior se explica debido a que cuando el número de neutrones o protones se alejan de la proporción óptima, las reacciones alternativas menos probables tienen más posibilidades de darse por eso la desintegración beta se da en núcleos con una proporción descompensada de neutrones y protones.

El asunto de los piones está ligado al de los mesones y se comentó anteriormente en la sección dedicada, en la segunda entrega, al trabajo de Hideki Yukawa (1907 – 1981).

En la “desintegración inversa Beta”, la partícula predicha es el anti neutrino electrónico y debe interactuar con un protón para producir un neutrón y un positrón, esto es, la antimateria contraparte del electrón.

El Neutrino

El Neutrino, fue predicho por Fermi y Pauli, y fue nombrado del italiano y quiere decir, “pequeño neutrón”, se han logrado avances contundentes y aún ahora se continua estudiando.

Asistentes al Congreso Solvay 1933. Tomado de Wikipedia

En el año de 1956, Frederick Reines (1918 - 1998) y Clide Cowan (1919 - 1974), demostraron la existencia de esta partícula el “neutrino”, escurridizos, son difíciles de encontrar, se dice que son como fantasmas.

En 1995, Frederick Reines gana el premio Nobel de Física por la detección del neutrino, en el experimento del neutrino, y sus pioneras contribuciones experimentales en la física de los leptones.

En1962, Leon Max Lederman (15 de julio de 1922), Melvin Schwartz (1932 – 2006) y Jack Steinberger (25 de mayo de 1921) mostraron que existía más de un tipo de neutrino, detectaron por primera vez el neutrino muónico.

Entre los años de 1974 y 1977, en los experimentos desarrollados por Martin Lewis Perl (1927 - 2014), se descubrió otro pariente del electrón, llamado “Tau”, así como dos partículas similares al neutrino, llamados: “Neutrino del Muón” (En 1962) y “Neutrino de Tau” (En el 2000).

Ello fue posible en función al avance tecnológico alcanzado al desarrollar un nuevo instrumento, colisionador de electrones y positrones, construido en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) en 1972 y nombrado “Anillo Acelerador de Positrones y Electrones de Stanford” (Stanford Positron and Electron Accelerator Ring o SPEAR).

Con él fue posible detectar anomalías, que antes habían pasado inadvertidas, en la desintegración de partículas generadas en las colisiones.

Al hacer el balance de energíaentre los estados inicial y final, se observó que la energía final era menor. En ninguna ocasión los muones, hadrones o fotones sumaban la energía necesaria para igualarse a la del estado inicial. Ante esta situación, para explicarlase propuso que con la energía que hacían colisionar al electrón y positrón, se creabanun par de nuevas partículas muy masivas, que pronto decaían en las demás partículas observadas.

La propuesta estuvo en dificultades, en consecuencia de que era muy complicado debido a que la energía necesaria para crear al par Tau – Anti Tau, es similar a la necesaria para crear un par de “Mesones”, con la participación del centro de investigaciones alemán conocido como "Deutsches Elektronen Synchrotron" (DESY) “Sincrotón Alemán de Electrones y el propio (SLAC), se confirmó su existencia y se obtuvo información más precisa sobre para su masa y espín. Perl ganó el premio Nobel de Física en 1995, por su descubrimiento del leptón Tau y sus pioneras contribuciones experimentales a la física de los leptones. Como recordaran lo compartió con Frederick Reines, por el descubrimiento del neutrino y sus contribuciones pioneras sobre los leptones.

Existe para cada una de estas partículas, una antipartícula, con masa idéntica pero que es opuesta a ella en algunos otros aspectos, como por ejemplo su carga eléctrica, así como sus cargas con respecto a otras fuerzas.

La antipartícula del electrón se llama “positrón” con igual masa, pero su carga eléctrica es “más uno” mientras que el electrón tiene “menos uno”.

Cuando entran en contacto materia y antimateria pueden aniquilarse mutuamente para producir energía pura. Lo anterior ha constituido la formación de tres grupos, que se denominan familias, formadas cada una por dos quarks, un elemento de características del electrón y una de las especies de neutrinos.

En 1988 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger obtuvieron el premio Nobel de Física por “El método de haces de neutrinos y la demostración de la doble estructura de los leptones a través del descubrimiento del muón. 

Resumiendo hay tres tipos diferentes de neutrinos y son: electrónico, muónico y tauónico.

En la actualidad el neutrino es todo un personaje, después de varios experimentos llevados a cabo en las instalaciones del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Canadá y el Super – Kamiokande en Japón entre otros, se sabe, que contrariando lo establecido en el modelo electrodébil, estas partículas tienen mínima masa, tan pequeña, que hace que su medición sea extremadamente difícil.

La cota superior de la masa de los neutrinos, determinada en el 2016,es de5.5eV/c²lo que significa menos de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno. Esta conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman científicos especialistas, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. 

Además, su interacción con las demás partículas es mínima, por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.

La masa del neutrino tiene importantes consecuencias parael modelo estándar de la física de partículas, ya que implica la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como “oscilación de neutrinos”.

En todo caso, los neutrinos con su pequeñísima masa, no se ven afectados por las fuerzas electromagnética y la nuclear fuerte, pero si por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.

Los neutrinos han seguido desvelando sus secretos, en los inicios de esta década el “Oscillation Project with Emulsion – tRaking Apparatus” (OPERA), terminado de construir, bajo tierra, en el macizo “Gran Sasso”, en el centro de Italia, apenas en el año 2008, produjo pronto una observación sobre el primer candidato a neutrino tauónico en un haz de neutrinos muónicos, fenómeno nunca antes detectado, el treinta y uno de julio del 2010.

El 23 de septiembre de 2011, elequipo internacional de científicos en OPERAhizo público que descubrió neutrinos, que viajan más rápido que la luz, según un portavoz de los investigadores, el hallazgo podría suponer un desafío a una de las leyes fundamentales de la física.

Antonio Ereditato, que trabajabaen el centro de partículas físicas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear, por sus siglas en francés) en la frontera franco-suiza, contó a Reuters que los tres años de mediciones han mostrado que los neutrinos se movían 60 nano segundos más rápido que la luz, en una distancia de 730 kilómetros entre Ginebra, lugar donde se encuentra el CERN,y Gran Sasso, donde se localiza el detector de OPERA en Italia.

La luz podría haber cubierto esa misma distancia en alrededor de 2.4 milésimas de segundo, pero los neutrinos tardaron 60 nano segundos (un nano segundo equivale a una mil millonésima parte de un segundo) menos que los haces de luz.

"Tenemos mucha confianza en nuestros resultados. Pero necesitamos que otros colegas hagan sus pruebas y lo confirmen por sí mismos", dijo en esa ocasión. Dos meses después, noviembre, hicieron del conocimiento del mundo científico, el resultado de nuevas mediciones con otro tipo de neutrinos que ratificaban lo documentado en el primer estudio.

Esto, como antes se mencionó,supone un efecto de gran impacto, pues una de las restricciones plenamente aceptada por la Física actualmente, es que no hay nada que pueda viajar a una velocidad mayor a la de la luz

Este descubrimiento fue invalidado en mayo del 2012, se confirmaba que se habían presentado varios errores en el experimento, lo que propició una medición incorrecta, se dejaba intacta la restricción para la máxima velocidad posible. 

Teóricamente se defiende la posición aduciendo que las ondas electromagnéticas están formadas por fotones, que carecen de masa, y los neutrinos tienen una masa muy pequeña, sabemos que la masa crece si los objetos viajan más rápido, por ello es más difícil lograr la aceleración necesaria para alcanzar la velocidad límite, lo que si logran los fotones que carecen de masa.

Los Quarks

Los componentes de los protones y neutrones fueron descubiertos en 1968, por el físico teórico Murray Gell – Mann (15 de septiembre de 1929): los quarks: Arriba (Up) y Abajo (Down).

Tomó el nombre para los quarks de un pasaje de “Finnegan's Wake” de James Joyce, que dice: “Three quarks for Muster Mark”. Se asume es un onomatopéyico del “grito” de las gaviotas.

Un protón está formado por tres quarks: dos (Arriba) y un (Abajo) y el neutrón también tiene tres quarks: dos (Abajo) y un (Arriba). Normalmente los quarks se agrupan en tríos. 

Los quarks Arriba (U) y Abajo (D), son los más estables, de los seis descubiertos a la fecha.

Juntos: el quark (D), el quark (U) y los electrones, forma toda la materia que podemos ver y de la que estamos hechos, gracias a que estas tres partículas, como antes se mencionó, son estables y no se desintegran o decaen más.

A Murray Gell - Mann se le otorgó el premio Nobel de Física en 1969, por sus descubrimientos sobre las llamadas partículas elementales.

Además de la ciencia, al profesor Gell-Mann le han interesado entre otros campos: la literatura, la historia natural, la lingüística histórica, la arqueología, la historia o la psicología.

Murray Gell-Mann es el autor de “The Quark and the jaguar, Adventures in the simplex and the complex” (El quark y el jaguar. Aventuras en lo simple y lo complejo), uno de los ensayo de divulgación científica mas reconocidos.

Cuando Murray Gell – Mann, con independencia al trabajo George Zweig (30 de mayo de 1937), pero con resultados similares, desarrollaron el llamado modelo de quarks en el año de 1964, sólo propusieron los quarks Arriba, Abajo y Extraño; buscando explicar la gran cantidad de hadrones observados, los que no podían ser atribuidos solamente a la existencia de los dos primeros.

El quark “Extraño” (strange) (S), se incluyó en la teoría en su origen, y la 's' de su nombre venía seguramente de 'sideways' (de lado), en contraposición a lo de arriba y abajo. Más tarde tomaría el nombre de quark extraño, porque forma parte de lo que se conocían entonces como partículas extrañas, que tenían una vida media "extrañamente" superior a la esperada.

El quark extraño debe de tener una vida media corta, como los leptones de la segunda generación. La única evidencia es que forma hadrones que se desintegran pronto, pero la vida media del propio quark es muy difícil de medir debido a que se encuentra confinado.

En el año de 1970, Sheldon Glashow (5 de diciembre de 1932), John Iliopoulos (griego nacido en 1940) y Luciano Maiani (16 de julio de 1941) propusieron el teórico mecanismo GIM, que requería que los quarks debían existir a pares, al igual que los leptones, prediciendo así la existencia del quark encanto. (Charm) (C) Mismo que fue descubierto en 1974, como consecuencia del descubrimiento de la partícula “encantonio” (charmonium, en inglés), que está compuesta por el quark Encantado y el antiquark Encantado.

El quark encanto (C) debe de tener una vida media corta, como los leptones de la segunda generación. La única evidencia es que forma hadrones que se desintegran pronto, pero la vida media del propio quark es muy difícil de medir debido a que se encuentra confinado, en el llamado confinamiento de color.

El siguiente en ser descubierto fue el quark Fondo/Belleza(Bottom/Beauty)(B),ello enel año 1977,en el Fermilab de Chicago, este hallazgo no resultó inesperado ya que en 1975se había descubierto la partícula “tau”, por lo que se pensó que si había tres familias de leptonesdebería haber también tres generaciones de quarks.

Presenta características muy especiales, por ejemplo es el segundo quark más masivo del modelo estándar,con una masa de unas cuatro veces la del protón. Esto le da un comportamiento únicodentro de la cromodinámica cuántica, que lo hace más fácil de detectar y medir sus propiedades experimentalmente, sobre todo en los mesones que forma. 

También es relativamente fácil de experimentar con él debido a que casi siempre aparece en las desintegraciones del quark Cima, y con bastante frecuencia en la desintegración de otra partícula, la más famosa por cierto el bosón de Higgs, si es lo suficientemente ligero.

Al igual que el anterior presenta una vida media corta, como los leptones de la tercera generación. Y también presenta el llamado confinamiento de color. Éste quark dota a los hadrones que forma con un número cuántico llamado “Inferioridad”(traducciónposiblede "bottomness"), que se define como el número de antiquarks fondo menos el número de quarks fondo que lo forman.

El último de los quarks en ser descubierto fue el llamado Cima/Verdad(Top/truth) (T), ello también en el Fermilab en el año 1995, es importante mencionar que el “Tevratón”, el acelerador de partículas de Fermilab, fue él único suficiente energético para producir quarks Cima, hasta la entrada en operación del “Gran Colisionador de Hadrones” (LHC). Después de una fugaz existencia, casi siempre decae en un “Bosón” W positivo y un quark Fondo.

Este quark dota a los hadrones que forma con un número cuántico denominado “superioridad” (traducción posible de “topness) que se define como el número de quarks Cima menos el número de antiquarks Cima que lo forman. 

Este número cuántico, al igual que “la extrañeza”, “el Encanto” o ”la belleza” (número de quarks “sabor”) presentes en una cierta partícula, menos el número de correspondientes antiquarks, puede ser violado por la interacción débil, pero no por la interacción fuerte ni la electromagnética, que conservan el sabor de los quarks.

La teoría de Gell-Mann aportó orden al caos que surgió al descubrirse cerca de cien partículas en el interior del núcleo atómico. Esas partículas, además de formar a los protones y neutrones, estaban combinadas con otras partículas elementalesy se mantienen unidos gracias al intercambio de gluones.

El “Gluón”, cuyo nombre proviene del inglés, (glue: pegamento), es el bosón portador de la fuerza (interacción) fuerte. No posee masa ni carga eléctrica, pero a cambio de ello contiene carga en cuanto a “color”, misma que depende del cambio e color de los quarks.Su “spin” es igual a uno.

Los quarks presentan el cambio de color cuando intercambian gluones, de tal forma que la carga de color total del sistema formado por el quark y el gluón, antes y después de la emisión o absorción es la misma.

Por ejemplo, si un quark rojo se vuelve azul al emitir un gluón, entonces es porque emite un gluón rojo-antiazul (la parte roja del gluon es el rojo que pierde el quark, y el antiazul es para anular el azul que el quark gana). El sistema tiene carga de color neta roja.

Existen entonces 8 tipos de gluones, siendo cada uno de ellos una combinación color – anti color. Los quarks y los gluones forman partículas compuestas con carga de color total neutra (se suele decir que las partículas compuestas son blancas).

Junto con otros investigadores Gell - Mann construyó la teoría cuántica de quarks y gluones, llamada “Cromodinámica Cuántica”.

Dicha teoría establece la existencia de los gluones y describe su dinámica, que generan la unión de los quarks, sonel protón y el neutrón componentes del núcleo atómico, por lo que también se les conoce como nucleones, en adición a los piones (su nombre es la combinación del nombre “pi” y “mesón”), descubiertos en 1947, resultando los mas ligeros de los mesones. 

Existen tres variedades de piones: pi (0), pi (+) y pi (-) y tienen “spin” cero y están compuestos por la primera generación de quarks.

Un quark "up" y otro "anti-down" componen el pi (+), mientras que un quark "down" y otro "anti-up" componen el pi (−), su antipartícula.

La combinación "up-antiup" y "down-antidown" constituyen el pi (0), el cual es su propia antipartícula.

El mesón pi (+-)tiene masade 139.6 MeV/c² yuna vida media de 2.6 × 10-⁸ segundos. 

Sudesintegración principal es en: un muón y un neutrino.

El pi (0) es más ligero aún , con masa de 135 MeV/ c². Y una vida media mucho más corta de 8.4 x 10 a la menos 17 segundos. 

Su desintegración es a 2 fotones.

Ahora bien, la mayoría de los núcleos atómicos , por debajo de un cierto peso atómico y que además presentan un equilibrio en cuanto al número de protones y neutrones (número atómico) son estables. Sin embargo los neutrones aislados y los núcleos con demasiados neutrones, o protones, son inestables.

La estabilidad se debe a los piones, en adición, aisladamente los neutrones pueden desintegrarse, en consecuencia a la interacción débil.

Las reacciones en el interior del núcleo son mucho más rápidas, dada la cercanía de los nucleones, lo que implica, mediante la interacción fuerte, que continuamente los neutrones del núcleo se transformen en protones, y algunos protones en neutrones. Esto hace que la reacción (del neutrón) apenas tenga tiempo de acontecer, lo que explica que los neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estables que los neutrones aislados. 

Si el número de protones y neutrones es desequilibrado, se abre la posibilidad de que en cada momento haya más neutrones y sea más fácil la ocurrencia de la reacción.

Los datos sobre el quark up dicen que tiene una carga eléctrica +2/3e, y el quark down tiene carga −1/3 e. 

Por lo tantolas cargas eléctricas totales del protón y del neutrón son: +e y 0 respectivamente.

Se sabe que las masas del protón y del neutrón son muy similares: la del protón es 1.6726 u ó938.27 MeV/ c², mientras que la del neutrón es 1.6749 u ó 939.57 MeV/ c², lo que significa que el neutrón es prácticamente un 0.1% más pesado. La similitud de masas es explicada por la simetría aproximada de “isospin”.

Tanto protones como neutrones tienen un momento angular intrínseco o espínde 1/2. Esto significa que son fermionesy no bosones, y por lo tanto, como los electrones, están sujetos al principio de exclusión de Pauli.

Esto es un hecho importante en la física nuclear: los protones y neutrones de un núcleo atómico no pueden estar en un mismo estado cuántico, por lo que se distribuyen en una serie de capas nucleares análogas a las de los electrones en el modelo atómico. 

Otra razón por la que el spín de los protones y neutrones es importantes es que de su suma se desprende el “spin nuclear”. Este es más conocido por su papel crucial en la técnica de laresonancia magnética nuclear, utilizada en los análisis químicos y biológicos.

Modelo Estándar de Partículas Elementales / Cromodinámica Cuántica

es.svg

Fuerza Nuclear Débil.

Se mencionó que Fermi fue el autor de la primera versión de la teoría sobre la fuerza nuclear débil, eso sucedió en la década de 1930. La necesidad de explicar los nuevos descubrimiento y las implicaciones que suscitaban brindaban la materia prima a las mentes más brillantes para lograr su colaboración en los aspectos teóricos.

Fue hasta finales de los años sesenta del siglo veinte que se obtuvo una teoría más amplia y completamente satisfactoria, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. 

Esta fuerza es la responsable de fenómenos naturales como la desintegración radiactiva. El efecto más familiar es el “decaimiento Beta” (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radioactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es10 a la 13veces menor que la interacción nuclear fuerte, pero no es despreciable,esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

En el modelo estándar de la física de partículas, la fuerza débil se considera una consecuencia del intercambio de los bosones W y Z que son muy masivos, y de acuerdo con la relación de indeterminación de Heisenberg son de corta vida, lo cual explica el escaso alcance de este tipo de fuerzas.

Como interacción débil no sólo puede ocasionar efectos puramente atractivos o repulsivos (como sucede por ejemplo con la interacción electromagnética), sino que también puede producir el cambio de identidad de las partículas involucradas, es decir, lo que se conoce como una reacción de partículas subatómicas. La teoría electrodébil que explica la interacción débil como un “Campo de Yang – Mills” asociado a un grupo de gauge o simetría interna SU(2).Que es un grupo unitario especial, en términos matemáticos, en este caso de grado dos.

Originalmente se la denominó "fuerza nuclear débil", ya que la interacción débil está confinada a muy cortas distancias, de poco más que el núcleo atómico, y porque es muy débil en comparaciónconlaque mantiene unidos neutrones y protones, la denominada fuerza nuclear fuerte.

Pero,si se consideraque es la responsable también del decaimiento de partículas de la familia del electrón y el muon, fuera del núcleo, se prefiere llamar simplemente "débil".

Sus efectos más considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor. Según el modelo estándar de la física de partículas, se denomina saboral 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 posibles: Azul, Rojo y Verde.

De tal forma que hay dieciocho distintos tipos de quarks.

Debido a la debilidad de esta interacción, los decaimientos débiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o los electromagnéticos. 

Por ejemplo, un decaimiento electromagnético de un piónneutro tiene una vida de cerca de 10 a la menos dieciséis segundos; mientras que un decaimiento débil cargado con un pion vive cerca dediez a la menos ocho segundos, es decir, cien millones de veces más largo. 

Un neutrón libre "vive" cerca de quinceminutos,lo que le constituye como una partícula sub atómica inestable con la vida media másextensaconocida.

Hasta 1967 se creía que la nuclear débil era independiente de la electromagnética y la gravitatoria pero alaño siguiente Sheldon Lee Glashow (5 de diciembre de 1932), Abdus Salam (1926 - 1996) y Steven Weinberg (3 de mayo de 1933), describieron lo que fue la teoría electrodébil la cual llego a unificar la interacción débil y la electromagnética. Esto constituyó un gran avance en la tan anhelada teoría de la gran unificación. Por ello fueron galardonados con el premio Nobel de Física en el año de 1979.

En ella se proponía que existieran dos partículas, de las llamadas bosones y que debieran ser másicos, los que finalmente fueron encontrados empíricamente en 1983 en el Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, esto es el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear(CERN), los bosones “W” y “Z”.

De acuerdo a esta teoría, a muy altas energías, pueden observarse cuatro bosones vectoriales de gauge, sin masa y similares al fotón, y en un campo de Higgs escalar, esto es, asociado a un bosón de Higgs.

Cabe aclarar que un bosón de gauge es: un bosón que actúa como portador de una interacción fundamental de la naturaleza. Más específicamente, la interacción de las partículas elementales descrita por la teoría de “campo de gauge”, se ejerce por medio de los intercambios de los bosones de gauge entre ellas, usualmente como partículas virtuales.

Por otro ladoa bajas energías, la interacción con el bosón de Higgs ocasiona una ruptura espontánea de simetría electrodébil mediante el mecanismo de Higgs. La ruptura de la simetría produce tres “bosones de Goldstone”, que carecen demasa y que son absorbidospor tres de los bosones de gauge originales, adquiriendo una masa efectiva. 

Los bosones con masa son precisamente los bosones “W” y “Z” asociados a la interacción débil, mientras que él tercero es el gluón, sin masa, y el cuarto bosón permanece sin masa y es observable como el fotón del campo electromagnético.

Esta teoría tiene un número de predicciones impresionantes, incluyendo una predicción de la masa relativa de los bosones “W” y “Z”, antes de su descubrimiento en 1983. Experimentalmente el punto más complicado fue la detección de bosón de Higgs,lo que sucedió en abril de 2011 y se confirmó en junio de 2012. 

Producir un bosón de Higgs fue uno de los grandes logros del “Large Hadron Collider” (LHC), “Gran Colisionador de hadrones”, que se construyó en el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear(CERN).

Fuerza Nuclear Fuerte.

En la época en que se consideraba que las partículas fundamentales eran el protón y el neutrón, se había considerado que la fuerza nuclear fuerte se refería a la que es de origen exclusivo del interior de los núcleos atómicos y se postuló teóricamente para explicar la causa por la cual se compensaban las fuerzas electromagnéticas repulsivas, de cuya existenciase sabía en el interior del núcleo, al descubrir que este estaba compuesto por dos tipos de partículas, unas con carga eléctrica positiva y, otras, con carga eléctrica nula.

Se concluyó entonces que su alcance no podía ser mayor que el propio radio del núcleo para que otros núcleos cercanos no fueran afectados, pues si tuviera un alcance mayor, todos los núcleos del universo se habrían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear. 

Por esa razón se la denominó en aquel entonces “fuerza fuerte”. El “Modelo de Yukawa”, formulado en 1935 por Hideki Yukawa (1907 – 1981),explicaba satisfactoriamente muchos aspectos de la fuerza nuclear fuerte o fuerza fuerte residual.

Al asomarse al interior del núcleo atómico, se encontraron, para sorpresa de los físicos, una gran variedad de partículas. El bombardeo con el apoyo tecnológico que desarrollo mejores aceleradores, o por mejor decir energizadores, hicieron factible reproducir y observar las colisiones.

El muón fue el primer ejemplo de descubrimiento de una partícula no previamente esperada de ningún modo en 1936. Su aparición fue bastante desconcertante. ¿Qué papel tenía el muón en este teatro del mundo de las partículas? Pero el desconcierto no había hecho más que empezar: el muón fue solo el primero de los descubrimientos inesperados. Entre 1945 y 1955, en esas observaciones de los productos de colisiones originadas por los rayos cósmicos, se descubrieron una docena de nuevas partículas.

A mediados de los 1960 el número de partículas descubiertas y listadas eran ya más de un centenar. Eran ya tantas que se comenzó a hablar del Zoo de partículas y cada vez resultaba menos creíble y/o digerible la idea de que todas esas partículas (o sus campos asociados) fueran “elementales” en ningún sentido.

Tabla de descubrimiento de partículas elementales, tomado de blog1310 CERN 1966

Hoy sabemos que lo que resulta es todo un panorama de complicación, que va embrollándose cuando las energías de los protones incidentes van siendo mayores y mayores: el resultado de la colisión puede ser un conjunto de varias partículas, que pueden incluir una o varias copias de las originales junto con otras partículas nuevas diferentes de las incidentes. Algunas de estas partículas son inestables y al poco se desintegran espontáneamente en otros subproductos, de manera aleatoria pero con una regularidad estadística: se llama semivida de una partícula inestable al tiempo que debe transcurrir desde su producción para que la probabilidad de que la partícula se haya desintegrado sea de 1/2.

Al margen de las conclusiones que se obtuvieron, estos experimentos iniciales fueron cambiando la manera de contemplar el problema. Más que “fuerzas” que gobernaran el comportamiento de los protones, lo que parecía haber era todo un mundo, con una plétora de nuevas “partículas” que, aunque ordinariamente inestables, se comportaban durante su existencia de manera “análoga” a los protones y neutrones. Poco a poco, el lenguaje fue cambiando de “fuerzas” a “interacciones”.

Tras el descubrimiento de una gran cantidad de partículas que eran sensibles a la interacción fuerte, y que se agruparon bajo el nombre de hadrones, de ellos una gran cantidad no parecía cumplir con un papel fundamental en la constitución de los núcleos atómicos.

Esto trajo como consecuencia la búsqueda de esquemas que ayudaran a explicar esta situación. Y en el año de 1963 se propuso el modelo de los quarks, explicaba que todas esas partículas encontradas eran combinaciones de las partículas más elementales.

La aceptación de estas partículas más elementales, con el nombre de quarks, permitió reducir su número, pero generó un problema, al intentar explicar la razón por la cual estas partículas se unían para formar las partículas como el protón y el neutrón.

Teóricamente se estableció que la fuerza que permitiera estas uniones debería ser de enorme intensidad, y se modificó a “interacción fuerte”, en consecuencia de que solía aparecer en contextos distintos en el interior del núcleo atómico.

Los esfuerzos realizados por los teóricos por comprender las interacciones entre quarks condujeron al establecimiento de una nueva teoría, denominada: “la cromodinámica cuántica” una teoría que describe la interacción de los quarks con un campo de “gluones”, que son los portadores de la interacción nuclear fuerte, y además de transmitir la interacción fuerte también la experimentan. 

Esta es la manera en que realmente los protones y neutrones se constituyen (que definitivamente dejaron de ser considerados como partículas elementales). Durante algún tiempo después se denominó fuerza fuerte residual a la que anteriormente se había llamado fuerza fuerte, llamando a la nueva interacción fuerte fuerza de color.

Y por ahora, en este punto cerraré la tercera parte de la historia de la forma en que la humanidad ha logrado explicar la forma en que se constituye la materia, la esencia de lo que materialmente somos.

Al recorrer velozmente la historia de la forma de concebir la materia, vimos con cierto detalle, lo que se hizo para separar los conocimientos que se volvieron obsoletos de los que continuan vigentes, los paradigmas que debieron vencerse o a los que debieron aferrarse, las maneras novedosas de plantear las circunstancias que rodean la investigación con la valiosa herramienta tecnológica que ha dado vuelta a las cosas, convirtiendo en posible lo que se consideraba imposible.

Esa investigación que realizan personas humanas, que también viven vidas similares al resto de la población, con sus muy personales: apremios, frustraciones, motivaciones, maneras de interpretar los descubrimientos, y con la carga de emociones con que los humanos solemos pasar el día a día.

Todas las pruebas que en fechas recientes han aparecido en las noticias, mismas que han venido comprobando, al respaldo de los avances tecnológicos, las bases de las nuevas formas de interpretar a la materia y que seguramente sorprenderían a sus autores teóricos.

El siguiente paso será referirme al: modelo estándar, la cromodinámica cuántica, la teoría de cuerdas,etc.todas las nuevas teorías aparecidas en los años más recientes.

La composición de la materia, el material del que estamos hechos aún tiene muchas cosas por precisar. Es la historia sin fin.