Física de Partículas
La física de partículas estudia los componentes más básicos de la materia. Va más allá de las moléculas y los átomos, adentrándose en lo que se esconde en su interior: quarks, electrones, neutrinos, fotones y otras partículas elementales.
Las partículas subatómicas elementales comparten una propiedad fascinante: todas son exactamente iguales entre sí.
Por ejemplo, cada electrón del universo es idéntico a cualquier otro: no existen electrones grandes o pequeños, jóvenes o viejos.
Esta simetría fundamental distingue a la física de partículas de aquellas ciencias que estudian objetos macroscópicos.
Nota. A diferencia de las máquinas o de las células vivas, las partículas elementales carecen de estructura interna y son indistinguibles entre sí. Son perfectas por definición. Esto facilita su estudio: entender a fondo un solo electrón equivale a comprenderlos a todos. Por ejemplo, si observamos la desintegración de un muón, podemos repetir el experimento miles de veces en el laboratorio y el resultado siempre será idéntico. Esa reproducibilidad es lo que permite a los físicos descubrir las leyes que rigen estos fenómenos.
A escala subatómica, las partículas no pueden manipularse directamente ni tocarse con instrumentos convencionales.
Para investigarlas, los físicos recurren principalmente a tres métodos:
- Dispersión: se hacen chocar partículas y, analizando las trayectorias resultantes, se obtiene información sobre su estructura interna.
- Desintegración: se estudian los productos en los que una partícula se transforma de manera espontánea al desintegrarse.
- Estados ligados: se analizan sistemas compuestos, como protones y neutrones, para comprender cómo interactúan sus constituyentes.
La física clásica no basta para describir con precisión lo que ocurre en el mundo de las partículas elementales.
Aunque la mecánica clásica explica con éxito la gravedad y las interacciones entre objetos de gran tamaño, se queda corta en la escala cuántica.
Para entender el comportamiento de las partículas son imprescindibles dos teorías fundamentales:
- Mecánica cuántica, que introduce el carácter probabilístico de la naturaleza y gobierna la dinámica en las escalas microscópicas.
- Relatividad especial, que describe cómo se comporta la materia cuando se aproxima a la velocidad de la luz.
Dado que las partículas elementales son extremadamente pequeñas y suelen desplazarse casi a la velocidad de la luz, ambas teorías deben aplicarse de manera conjunta.
De esta síntesis nació la teoría cuántica de campos, el marco teórico que constituye el núcleo de la física de partículas moderna.
La teoría cuántica de campos describe cómo se comportan las partículas subatómicas que se mueven a velocidades relativistas en regiones de tamaño diminuto.
El Modelo Estándar (SM)
En la actualidad, todas las interacciones fundamentales conocidas entre partículas - con la única excepción de la gravedad - se explican mediante el Modelo Estándar (SM).
Este marco se basa en un principio unificador llamado invariancia de norma (gauge invariance).
Nota. El bosón de Higgs, predicho por el Modelo Estándar, fue confirmado experimentalmente en 2012. Sin él, las partículas permanecerían sin masa. Su descubrimiento representó una validación crucial de la teoría.
El Modelo Estándar: un triunfo de la física moderna, aunque incompleto
A pesar de su enorme precisión y de su concordancia con prácticamente todos los experimentos, el Modelo Estándar tiene limitaciones bien conocidas.
Describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales - electromagnética, débil y fuerte - , pero no incorpora la gravedad, no da cuenta de la materia oscura ni de la energía oscura, y tampoco explica el origen de la masa de los neutrinos.
En este sentido, el Modelo Estándar se parece a un mapa muy detallado que, sin embargo, solo cubre una parte del territorio: representa con gran exactitud lo que conocemos, pero deja amplias regiones del universo sin explorar.
El gran objetivo de la física teórica actual es precisamente éste: ir más allá del Modelo Estándar.
Muchos científicos están convencidos de que el Modelo Estándar no es más que el límite de baja energía de un marco más profundo y unificado, al que a menudo se denomina física más allá del Modelo Estándar o, simplemente, nueva física.
Historia
En el siglo V a.C., Leucipo y Demócrito fueron los primeros en proponer que la materia estaba compuesta por partículas indivisibles llamadas átomos, palabra griega que significa “indivisible”.
En aquel momento, el átomo no era una realidad física comprobada, sino un concepto filosófico para explicar el cambio y la permanencia en la naturaleza. Durante casi dos milenios, la idea del átomo permaneció en el terreno de la especulación.
No fue hasta el siglo XIX, con el auge de la química moderna, cuando el átomo empezó a considerarse realmente una unidad fundamental de la materia.
El fin de la indivisibilidad
En 1897, J.J. Thomson descubrió el electrón, una partícula con carga negativa presente en todos los átomos.
Sus experimentos con rayos catódicos demostraron que los átomos tenían una estructura interna y no eran indivisibles como se pensaba.
Poco después se comprendió que el electrón era el responsable del transporte de la corriente eléctrica en los metales.
El núcleo atómico y las partículas subatómicas
En 1911, el famoso experimento de la lámina de oro de Ernest Rutherford reveló que casi toda la masa del átomo está concentrada en un diminuto núcleo positivo, alrededor del cual orbitan los electrones.
El protón fue identificado como la partícula que confiere la carga positiva al núcleo.
El descubrimiento del neutrón
En 1932, James Chadwick descubrió el neutrón, una partícula con masa pero sin carga eléctrica, resolviendo así el enigma de la “masa perdida” en el átomo.
Por ejemplo, un núcleo de helio está formado por 2 protones y 2 neutrones.
La antimateria y el nacimiento de la física de partículas
En los años treinta, Carl Anderson identificó una partícula idéntica al electrón pero con carga opuesta: el positrón.
Fue la primera vez que se observó experimentalmente la antimateria.
Poco después se descubrió que, cuando un positrón se encuentra con un electrón, ambos se aniquilan generando dos fotones gamma.
En los años siguientes, los científicos también postularon la existencia del antiprotón y del antineutrón.
La hipótesis de los quarks
A mediados de los años sesenta comenzaron a acumularse pruebas de que protones y neutrones no eran partículas fundamentales, sino que estaban compuestos por entidades aún más pequeñas llamadas quarks.
Las evidencias más sólidas surgieron de los experimentos de dispersión inelástica profunda realizados en el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center).
El nacimiento del Modelo Estándar
Durante la década de 1970, las partículas elementales quedaron clasificadas en dos grandes familias:
- Fermiones (materia): los quarks y los leptones (como el electrón y el neutrino).
- Bosones (mediadores de interacción): el fotón (fuerza electromagnética), el gluón (fuerza fuerte) y los bosones W y Z (fuerza débil).
El bosón de Higgs
El 4 de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS en el CERN anunciaron oficialmente el hallazgo del bosón de Higgs, con una masa cercana a los 125 GeV/c².
Esta partícula es la pieza clave que explica cómo las demás adquieren su masa a través del mecanismo de Higgs.
Más allá del Modelo Estándar
Aun con sus impresionantes logros, el Modelo Estándar deja abiertas muchas preguntas fundamentales:
- No incluye la gravedad.
- No explica por qué existen exactamente tres familias de partículas.
- No logra dar cuenta de la materia oscura ni de la energía oscura.
- Depende de parámetros arbitrarios - como las masas de las partículas - que deben introducirse a mano.
Por eso, hoy se desarrollan numerosas propuestas teóricas que buscan ampliar y superar el marco del Modelo Estándar.
Un ejemplo es la supersimetría (SUSY), según la cual cada partícula conocida tendría un "supercompañero". También se ha propuesto el "gravitón" como hipotético portador de la gravedad. La teoría de cuerdas, por su parte, sostiene que las partículas fundamentales no son puntos, sino modos vibracionales de diminutas cuerdas unidimensionales. Otros enfoques incluso sugieren la existencia de constituyentes más elementales, llamados "preones", que estarían en la base de quarks y leptones.
Sin embargo, hasta el momento ninguno de estos modelos especulativos ha recibido confirmación experimental.
La estructura última de la materia sigue siendo un enigma. No sabemos aún si existen niveles más profundos de la realidad, o si ya hemos alcanzado los ladrillos fundamentales del universo.
La búsqueda continúa.
Detectores de partículas
La detección de partículas se basa en la manera en que éstas interactúan con el medio que atraviesan - ya sea vapor, gas, líquido u otra sustancia - . Las partículas cargadas dejan rastros de ionización, mientras que las neutras solo pueden identificarse de forma indirecta, a través de los productos secundarios que generan al interactuar.
Para identificar partículas elementales, los físicos utilizan dispositivos especializados llamados detectores de partículas, que permiten observar y registrar el paso de los constituyentes subatómicos.
El principio de funcionamiento consiste en transformar la interacción de una partícula con un medio en una señal física medible, como un destello de luz, una carga eléctrica o la condensación de vapor.
¿Cómo funcionan?
La mayoría de los detectores operan a partir del fenómeno de la ionización: cuando una partícula cargada atraviesa un material, choca con los átomos y expulsa electrones de sus capas externas.
Ese proceso produce iones positivos y electrones libres, que pueden ser recogidos y convertidos en una señal detectable.
Por ejemplo, las cámaras de niebla utilizan vapor de alcohol supersaturado como medio: los iones creados actúan como núcleos de condensación y dibujan estelas de gotitas visibles. Las cámaras de burbujas emplean un líquido sobrecalentado (a menudo hidrógeno líquido), donde la ionización provoca la formación de burbujas a lo largo del recorrido de la partícula. En las cámaras de chispas, un gas entre dos electrodos sirve como medio; la ionización inicia descargas eléctricas - que se ven como chispas - y revelan la trayectoria seguida.
Ahora bien, los detectores basados en la ionización presentan una limitación esencial: solo responden a partículas cargadas. Las neutras pasan desapercibidas salvo que interactúen de otro modo.
Las partículas neutras (como los neutrones y los neutrinos) no ionizan directamente el medio y, por lo tanto, no dejan huella en detectores que dependen únicamente de la ionización.
Para detectarlas, los físicos recurren a métodos indirectos, observando los subproductos de sus interacciones con otras partículas.
Por ejemplo, los neutrones pueden ponerse de manifiesto al chocar elásticamente con núcleos ligeros (como los de hidrógeno), generando protones de retroceso que sí resultan visibles. Los neutrinos, en cambio, se detectan de manera indirecta a través de sucesos secundarios, como la aparición de un muón o la emisión de un electrón. En una cámara de burbujas, un neutrino que interacciona con un protón puede producir un muón, cuya traza queda registrada.
Más allá de estas técnicas clásicas, los detectores modernos suelen estar formados por varios subsistemas integrados, cada uno diseñado para medir un tipo específico de señal o de partícula.
La combinación de estas tecnologías permite registrar con gran detalle todos los aspectos del paso de una partícula. Las señales recogidas se sincronizan y son procesadas por ordenadores, que reconstruyen el evento completo y trazan con precisión las trayectorias de las partículas.
Estos detectores avanzados son capaces de identificar tanto partículas cargadas - gracias a la ionización directa - como partículas neutras - a partir de los efectos secundarios que generan al interactuar - .
Fuentes de partículas elementales
Para estudiar las partículas fundamentales se emplean distintas fuentes:
- Protones y electrones
Los protones se obtienen fácilmente ionizando átomos de hidrógeno (H). Los electrones, en cambio, se producen habitualmente mediante emisión termoiónica (calentando metales), a través del efecto fotoeléctrico o por emisión de campo bajo intensos campos eléctricos. - Procesos de desintegración
En estos procesos, una partícula se descompone de manera espontánea y libera una o varias partículas elementales - como fotones o neutrinos - durante la transformación. - Rayos cósmicos
Los rayos cósmicos son fuentes naturales de partículas de muy alta energía. Están compuestos sobre todo por protones, aunque también incluyen núcleos de helio, núcleos más pesados, electrones, positrones y antiprotones. Procedentes del espacio interestelar, al chocar contra la atmósfera terrestre producen lluvias de partículas secundarias - como muones, piones y neutrinos - . Son valiosos para la investigación, pero su flujo es escaso e impredecible. - Fuentes nucleares
Los reactores nucleares emiten grandes cantidades de neutrinos electrónicos, además de neutrones y radiaciones alfa, beta (electrones o positrones) y gamma (fotones). Estas fuentes resultan muy útiles en experimentos controlados sobre interacciones débiles o sobre el comportamiento de los neutrones. - Aceleradores de partículas
Los aceleradores producen tanto partículas primarias (protones, electrones) como secundarias (piones, muones, kaones y antiprotones) a través de colisiones de alta energía - incluidos los choques frontales en instalaciones como el LHC o el LEP - o mediante interacciones de menor energía, como la dispersión. El término dispersión designa el proceso en el que dos partículas colisionan e intercambian energía, cambian de dirección o generan nuevas partículas. Los aceleradores son herramientas insustituibles para estudiar partículas raras o de vida muy breve en condiciones controladas y reproducibles, y siguen siendo una de las llaves más potentes para explorar el mundo subatómico.
