Colisiones de partículas

Cuando dos partículas colisionan, el universo muestra uno de sus espectáculos más fascinantes. En una fracción diminuta de segundo pueden rebotar, intercambiar energía o incluso transformarse en partículas completamente nuevas.

En la física moderna, una colisión no se entiende como un golpe entre objetos sólidos, sino como una interacción entre campos. En esas escalas subatómicas, lo que realmente sucede es un intercambio de energía y fuerza entre los componentes más fundamentales de la materia.

De hecho, las partículas nunca llegan a “tocarse”. Sus interacciones ocurren mediante el intercambio de bosones mediadores de las fuerzas: los fotones transmiten la fuerza electromagnética, los gluones mantienen unidas las partículas dentro del núcleo atómico y los bosones W y Z son responsables de la fuerza débil, que provoca ciertos tipos de desintegración.

Leyes de conservación

En toda colisión de partículas, la naturaleza sigue unas reglas inquebrantables: las leyes de conservación. Estos principios fundamentales, formulados por la física relativista, garantizan que ciertas magnitudes nunca cambien, por muy violenta que sea la interacción.

• Conservación de la energía total
  La energía total del sistema no varía ni antes ni después de la colisión.

  Por ejemplo, durante una colisión de partículas, la energía total del sistema se mantiene constante. En otras palabras, la suma de las energías antes del choque es igual a la suma posterior: $$ E_1 + E_2 = E_3 + E_4 $$ Las partículas que salen (3 y 4) pueden ser las mismas que entraron (1 y 2) o completamente nuevas, formadas en el impacto. Si las partículas son las mismas, hablamos de una colisión elástica; si son distintas, se trata de una reacción inelástica, en la que parte de la energía cinética se convierte en masa o energía interna.

• Conservación del momento lineal
  El momento total del sistema también permanece constante.

  Al igual que la energía, el momento lineal total no cambia durante una colisión. En forma vectorial se expresa así: $$ \vec{p}_1 + \vec{p}_2 = \vec{p}_3 + \vec{p}_4 $$ donde $p_1$ y $p_2$ son los momentos de las partículas iniciales, y $p_3$, $p_4$ los de las partículas finales. Esta ecuación resume una idea poderosa: el momento no se crea ni se destruye, solo se redistribuye entre los productos del choque.

• Conservación de la carga eléctrica y de otros números cuánticos
  Además, magnitudes como la carga eléctrica, el número bariónico o el número leptónico permanecen invariables. Nada de esto puede “aparecer” o “desaparecer”: simplemente se conserva.

En resumen, las cantidades fundamentales - energía, momento y carga - se conservan en toda interacción. La única excepción es la energía cinética $ K $, que puede variar según el tipo de colisión.

Nota. En relatividad especial, las leyes de conservación de la energía y del momento se unifican en una sola expresión elegante gracias al cuadrivector energía - momento: $$ P_1 + P_2 = P_3 + P_4 $$ Cada término ($P_i$) representa un cuadrivector de la forma $$ P_i = \left( \frac{E_i}{c},\ \vec{p}_i \right) $$ que combina energía y momento en una única entidad. Esta formulación, válida en todos los sistemas inerciales, describe tanto colisiones elásticas como procesos de creación o aniquilación de partículas, en los que la energía cinética puede transformarse en masa, o viceversa.

Diferencias entre la física clásica y la relativista

En la física clásica, las leyes de conservación tienen una forma diferente. Cuando dos cuerpos chocan, el momento lineal total del sistema se conserva, pero la energía cinética puede disminuir: parte de ella se convierte en calor, sonido o deformaciones. En relatividad sucede algo similar, aunque el lenguaje y las ecuaciones cambian.

En mecánica clásica se cumple siempre la ley de conservación de la masa:

$$ m_1 + m_2 = m_3 + m_4 $$

Esto significa que la masa total antes y después del choque es la misma: no se crea ni se destruye, solo se reparte entre los objetos que interactúan.

En cambio, la física relativista rompe este principio. La masa puede transformarse en energía (y viceversa) según la famosa ecuación de Einstein:

$$ E = mc^2 $$

Esta relación cambia por completo nuestra comprensión del universo: en la física clásica se conserva la masa, mientras que en la física relativista lo que permanece constante es la energía total, que incluye tanto la energía cinética como la energía asociada a la masa en reposo.

En la física relativista, la energía deja de dividirse en categorías clásicas como mecánica, térmica o elástica. En este nuevo marco, todo se describe de manera más unificada: la energía total de una partícula se compone de dos elementos esenciales - la energía en reposo y la energía cinética - , que juntas determinan su estado energético completo.

Tipos de colisiones

Las colisiones entre partículas son uno de los fenómenos más fascinantes de la física, y según cómo se intercambie o transforme la energía, se dividen en tres grandes tipos:

• Colisiones elásticas
  En una colisión elástica, la energía cinética total se conserva por completo. Las partículas pueden desviarse o cambiar su trayectoria, pero siguen siendo las mismas: no aparecen partículas nuevas ni cambian sus masas en reposo.

  Un ejemplo clásico es la dispersión elástica de un electrón con un protón: $$ p + e \rightarrow p + e $$ Aquí, tanto el protón como el electrón salen de la interacción exactamente como entraron. No hay creación ni destrucción de partículas, y la energía cinética total se mantiene constante en el sistema del centro de masas.

• Colisiones inelásticas (o adhesivas)
  En este tipo de colisión, una parte de la energía cinética inicial se transforma en otras formas de energía interna - como energía de excitación, calor o energía de masa - , conocidas en conjunto como energía en reposo.

  Un ejemplo típico es la fusión nuclear, cuando dos núcleos se combinan y forman uno más pesado. Parte de la energía cinética de los núcleos originales se convierte en energía de enlace del nuevo sistema, liberando una enorme cantidad de energía.

• Colisiones explosivas (o de desintegración)
  En una colisión explosiva ocurre justo lo contrario: una sola partícula se desintegra en varias más pequeñas, que se alejan a gran velocidad. Parte de la energía en reposo de la partícula inicial se convierte en energía cinética de los fragmentos, tal como predice el principio de equivalencia entre masa y energía.

  Por ejemplo, un neutrón puede desintegrarse en un protón, un electrón y un antineutrino: $$ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e $$ En este proceso, una fracción de la masa del neutrón se libera como energía cinética de las partículas resultantes.

Estos tres tipos de colisiones nos muestran cómo la energía y la materia están íntimamente relacionadas. En el mundo relativista, cada interacción - ya sea una fusión o una desintegración - revela la profunda unidad entre masa, movimiento y energía.

El punto donde masa y energía se encuentran

A energías extremadamente altas, las colisiones nos revelan una de las ideas más bellas de la física: la masa y la energía son dos caras de la misma moneda.

Después de una colisión, la masa total puede ser diferente, pero la suma de energía y momento permanece constante. Parte de la energía cinética puede transformarse en masa -creando nuevas partículas a partir de energía pura-, y también puede ocurrir el proceso inverso.

Ejemplo

En los grandes aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, haces de protones o electrones se aceleran hasta velocidades cercanas a la de la luz y se hacen colisionar de frente.

El objetivo es convertir energía de movimiento en masa, según la famosa ecuación de Einstein:

$$ E = mc^2 $$

Las colisiones frontales liberan la máxima cantidad de energía disponible. Por eso, los aceleradores modernos están diseñados para enfrentar directamente los haces de partículas, en lugar de hacerlos chocar contra un blanco fijo.

Ejemplo real. Dos protones colisionan de frente a energías del orden de varios teraelectronvoltios (TeV). La enorme concentración de energía en el punto de impacto puede “materializarse” en nuevas partículas -como bosones W y Z o pares quark-antiquark-. La reacción puede expresarse así: $$  p + p \rightarrow p + p + X $$ donde X representa todo lo que se produce en la interacción: nuevas partículas, radiación y otras formas de energía.

Gracias a estas colisiones, la física moderna investiga los cimientos más profundos del universo, mostrando cómo la energía puede dar origen a la materia… y cómo, al final, toda la materia puede volver a disolverse en pura energía.