capitulo1 floriand-cuantica

8/18/2019 capitulo1 FLORIAND-CUANTICA

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Átomos, núcleos y partículas elementales:una expedición al mundo subatómico

Daniel de Florian


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Prólogo

1. ¿Qué es elemental?¿Qué es elemental? ¿Por qué buscarlo? ¿Cómo?

2. Filósofos, alquimistas, químicos!"#$%$&$% (Filósofos)AlquimistasQuímicos¿Cuánto mide un átomo?

3. ' ,( ,) , X

Rayos (y centellas)El descubrimiento del electrón

4. La era atómicaThomson, el señor ( Rutherford, el señor ' Aparecen el protón y el neutrónVarios problemas a la vista

5. La nueva físicaMecánica clásica

La naturaleza de la luz y el electromagnetismoPrimer problema: solución relativistaSegundo problema: solución cuántica

6. El átomo cuánticoUno, tres, cuatro números cuánticosSpin y principio de exclusiónAhora sí, entendemos a Mendeleev¿Ondas o partículas?La mecánica cuánticaDeterminismo e incerteza

7. Partículas y antipartículasRelatividad y cuánticaFuerzas y mediadores

8. La era nuclearPiones y muonesFuerza débilEra nuclear


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9. Leptones, bariones, mesones: demasiadas partículas

Los leptones en familiaEl extraño mundo de los hadronesDetectores y aceleradoresCrear dos, tres, muchos hadronesOrden, ¡por favor!

10. La era de los quarksThree quarks for Munster Mark¿Existen los quarks?Tres coloresSeis quarks, seis leptones

Interacción débil revisadaElige tu propia lecturaEvidencia de quarks y de color

11. ¿De qué estamos hechos?Interacciones y simetríasPartículas de materiaPartículas mediadoras Estamos hechos de… y por…¿Son realmente elementales?El futuro de la física de partículas elementales

EpílogoY por casa, ¿cómo andamos?


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Prólogo

Escribir un libro no es una tarea sencilla, jamás pensé que lo fuera. Los científicosestamos acostumbrados a escribir sobre nuestro trabajo. Es fundamental hacerlo para

permitir la diseminación del conocimiento. Sin embargo, para ello utilizamos unlenguaje muy diferente al que es conveniente para un libro de divulgación. En lafísica, además de utilizar una gran cantidad de jerga técnica (palabras que muchasveces son más complicadas que los conceptos que quieren comunicar), el lenguajeque nos permite expresar nuestras ideas de una manera bien definida y precisa es elde las matemáticas.

Pero en un libro de divulgación, la situación es muy diferente. Queremos expresar las

ideas fundamentales de una manera que puedan ser comprendidas por quien no es unexperto. Y eso, necesariamente, involucra eliminar la posibilidad de utilizarconceptos matemáticos complejos. Entonces es necesario recurrir a analogías consituaciones a las que estamos familiarizados para lograr una simplificación de lasideas.

Al escribir este libro he intentado por todos los medios cumplir con esta consigna, pero no puedo asegurar haberlo logrado. De todas formas, y esto debe quedar en claro para el lector, por más que se trate de un libro de divulgación y no de un manualescolar, para poder comprender algunos de los conceptos más profundos de la físicaes necesario realizar cierto esfuerzo. La idea de que se puede aprender sin esforzarse

es completamente falsa. Se lo podrá hacer de manera más o menos atractiva, pero la base de esfuerzo de parte del lector será la misma, aunque algunas anécdotasdivertidas sirvan para disimularlo.

En este libro en particular, hará falta que el lector realice una abstracción un pocomayor. La ciencia no da respuestas absolutas y definitivas, sino que trata de acercarsea la verdad de la forma que le sea posible, pero intuyendo que tal vez nuncalleguemos a ella. Por esta razón, nuestra comprensión sobre los fenómenos de lanaturaleza va cambiando continuamente, a veces de manera radical. En este libroencontrarán varios ejemplos de estos cambios, algún capítulo se dedicará a probar quelo expresado en el anterior no es totalmente correcto.

La construcción del conocimiento se realiza por pasos, algunos pequeños, otros sobreabismos. El lector deberá aceptar este hecho, y lidiar con estos cambios; cuando

piense que ya comprendió todo, probablemente se encontrará con algún nuevo giro.Este libro está escrito a propósito para provocar esa reacción, si algo debe quedar enclaro de su lectura es que aún el último capítulo, que resumirá el conocimiento másmoderno sobre la estructura de la materia, seguramente será superado por alguna otrateoría en un futuro no lejano. Comprendo claramente que esto representa un desafío

para el que está acostumbrado a recibir información (sobre todo en el colegio) comola verdad absoluta, pero estoy seguro que el lector estará a la altura del mismo.


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Quiero agradecer a Juan Pablo Paz y a EUDEBA, por ofrecerme la oportunidad de

escribir este libro, y a muchos de mis colegas del Departamento de Física de laFacultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, entre ellos Rodolfo Sassot,Diego Mazzitelli y Gabriela Navarro por suministrarme buena parte del materialutilizado para escribirlo y por escucharme hablar de él infinita cantidad de veces.A Carlos García Canal y Rodolfo Sassot, junto a quienes di mis primeros pasos en lainvestigación, el reconocimiento por la gran cantidad de valiosos comentarios quesirvieron para mejorar considerablemente el contenido de este ejemplar.

Y, sobre todo, el agradecimiento a mi familia, por aguantarme mientras lo escribía. Ami esposa Mariel por corregir la primera versión del texto y a mis hijas Aylen y

Emilia por ayudarme con algunas de las ilustraciones.

Quienes estén interesados en encontrar más material sobre la física de las partículaselementales, podrán visitar la página Web dedicada a este librowww.df.uba.ar/users/deflo/libro.html donde hallarán links a numerosas

publicaciones online, material para profesores y alumnos de colegios secundarios, ynovedades en el tema.

Buenos Aires, Febrero 2005 Daniel de Florian


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1. ¿Qué es elemental?

La materia que observamos está formada por conjuntos más o menos complejos demoléculas, compuestas por átomos, que están formados por electrones y un núcleo. Elnúcleo atómico contiene a los protones y neutrones que a su vez están compuestos

por quarks. El electrón y los quarks poseen el tamaño más pequeño que podemosllegar a estudiar hoy, por lo que en principio podemos considerarlos como partículas

puntuales sin dimensiones. La materia, entonces finalmente, está formada de casinada... Y cuando decimos la materia en este caso, no importa demasiado a que tipo de materia nos referimos. Involucramos desde objetos gigantescos, como planetas,hasta diminutos seres vivos, incluyéndonos. Si imaginariamente comenzamos adescomponer su estructura hasta llegar al grado en que no podemos (hoy) dividirlamás, invariablemente culminaremos con quarks y electrones. La rama de la cienciaque se dedica al estudio de estas diminutas partículas y las fuerzas involucradas entreellas se conoce como la física de las partículas elementales.

Las diversas estructuras observables, desde la escala planetaria a la subatómica, persisten bajo la influencia de cuatro tipos de fuerzas distintas que afectan a suscomponentes de distinta forma: las interacciones electromagnética, débil, fuerte ygravitatoria.

Fig. 1.1 Composición elemental de la materia y las fuerzas dominantes a cada escala

Cualquier libro sobre partículas elementales puede comenzar así, al fin y al cabo suobjetivo principal es resumir las propiedades de las componentes más pequeñas de lamateria. No hay, a priori, necesidad de pasar por la descripción de sistemas máscomplejos que comprendimos hace ya muchos años. Sin embargo, la historia deldescubrimiento de las partículas elementales durante el último siglo es tan rica quevale la pena revisarla. Por un lado nos permite observar cómo nuestro conocimientoha cambiado a medida que pudimos estudiar estructuras cada vez más pequeñas.Además de ser un ejemplo de una de las formas en que la ciencia progresa, nosalertará sobre la necesidad de comprender que el conocimiento al que hemos llegado


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hoy de ninguna manera tiene que ser tomado como la respuesta final a nuestra búsqueda. Hay una gran lección de humildad en la historia, veremos que en diversas

ocasiones grandes científicos elaboraron teorías que fueron consideradas comodefinitivamente correctas, para ser luego completamente modificadas. ¿Por qué no

puede sucedernos lo mismo?

Por otro lado observaremos que la historia del descubrimiento de nuevas partículassigue patrones que se repetirán varias veces, en cada paso con mayor precisión,complejidad y energía que en el anterior. Entender los casos más simples desde el

principio nos hará, sin lugar a dudas, mucho más sencilla la tarea para seguiradelante.

Pero, claro, éste es un libro de divulgación científica y no una novela donde el

misterio se devela en las últimas páginas. Por ello la página inicial de este libro seencuentra donde corresponde. A partir de conocer, de manera aún muy resumida,hacia dónde queremos llegar, realizaremos un viaje tanto temporal como espacial enel conocimiento: desde el comienzo de la civilización hasta nuestros días y desde lasestructuras más grandes hacia las más pequeñas.

En este viaje encontraremos todo tipo de revoluciones científicas que han cambiadonuestra comprensión de la naturaleza de manera fabulosa, pero que por su alto gradode complejidad ha impedido que este conocimiento pudiera llegar de manera másclara a aquellos que no son expertos en el tema. Sin embargo, así como para disfrutarde un buen recital de rock no hace falta ser un músico profesional, tampoco esnecesario ser un científico para apreciar los hallazgos de la ciencia. La idea de estelibro es, justamente, intentar expresar esos conocimientos de manera que puedan sercomprensibles para todos aquellos que quieran satisfacer el deseo de conocer.

¿Qué es elemental? ¿Por qué buscarlo? ¿Cómo?

Para comenzar nuestro viaje, tenemos que definir qué comprendemos por elemental,o fundamental, respecto de la composición de la materia. Nos referimos básicamentea la búsqueda de unos pocos bloques básicos a partir de los cuales se pueda entender

la construcción de todo lo demás, simplemente como distintas combinaciones deellos. Trataremos de definir más adelante qué entendemos por unos pocos conalgunos ejemplos históricos. La elementalidad implica la idea de indivisibilidad.Estos bloques fundamentales, para serlo, no deben poder ser divididos en otroscomponentes más elementales. Y, aunque parezca una pregunta un poco filosófica, esnecesario plantearse la duda sobre si estas unidades mínimas tienen existencia real.Como veremos más adelante, las teorías modernas de la Física, en particular lamecánica cuántica, nos indican que al menos existen cuantos, unidades mínimas deenergía que podemos asociar a la existencia de ciertas partículas elementales. Pero nosiempre fue así. La idea de elementalidad, debemos tenerlo bien presente a lo largo de


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este libro, es un concepto en permanente evolución. Un objeto que pensamos eselemental deja de serlo sencillamente cuando descubrimos que posee una estructura

más pequeña. El lector podrá preguntarse cómo es que ha sido posible para la físicaexplicar de manera satisfactoria diversos fenómenos a partir de conceptos que luegosufrieron cambios drásticos. La respuesta es bastante sencilla, las leyes de la físicason aplicables a ciertas escalas, ya sea de tamaños o energías, donde tienen su rangode validez. Para colocar un clavo en la pared es irrelevante conocer la estructuraatómica de ambos, y por irrelevante queremos significar completamente innecesario,cuando no, incluso inconveniente. Sería imposible, además de inútil, tratar dedescribir el ingreso del clavo en la pared átomo por átomo. En situaciones queinvolucran escalas macroscópicas no es necesaria una descripción microscópica. Estoes, podemos no sólo colocar el clavo sino estudiar cuales son las características másconvenientes para el objeto en cuestión, como su forma, sin saber el detalle de su

estructura interna.

La evolución en la física se produce ante la aparición de nuevas ideas, a vecesdrásticamente revolucionarias, que permiten expandir el número de fenómenos que

pueden ser explicados. Como veremos en varias ocasiones, eso no significa que existala necesidad imperiosa de abandonar todo lo aprendido hasta ese momento, engeneral será cuestión de delimitar su rango de aplicabilidad. Si no fuera así, no

podría existir la ciencia hasta encontrar la teoría que explique todo en términosde algunos hipotéticos componentes elementales definitivos, ¡ si es que algocomo eso realmente existe!

Definida la idea de elementalidad, vale la pena cuestionarse por qué estamos taninteresados en descubrirla. Esa pregunta tiene varias respuestas posibles que se

potencian. En primer lugar, se podría decir que queremos saber cuáles son loscomponentes fundamentales de la materia simplemente porque queremos saberlo. Porsupuesto que hay algo más detrás de ese interés: conocer la composición de lamateria, además de satisfacer nuestra necesidad intelectual, nos permite usarla demanera más eficaz. La relevancia de la electrónica en la tecnología moderna es unclaro ejemplo de cómo el desarrollo del conocimiento de la Física ha dado lugar a unsinfín de aplicaciones.

Además hay, como decíamos, otras razones de importancia. Conocer de qué estáhecha la materia nos permite establecer, por ejemplo, las diferencias y similitudesentre los distintos objetos, vivos e inertes, que forman nuestro universo. Hoy llamanenormemente la atención los recientes descubrimientos sobre la estructura genética delos seres humanos y su gran similitud con la de otros animales. De los,aproximadamente, 25000 genes que forman el ADN humano, sólo unos pocos,cientos, nos distinguen de los animales que siempre entendimos como más cercanos,como los monos, y de algunos otros que en principio parecen mucho más diferentescomo las ratas. Como veremos, las diferencias son mucho más sutiles, ya que desde el

punto de vista de las partículas elementales el ADN no es más que una complicada


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molécula, y que solo el ordenamiento de los átomos que lo forman nos distingue decualquier objeto que podemos observar. Y si como decíamos al comienzo, y

trataremos de mostrar a lo largo de este libro, toda la materia está compuesta básicamente por partículas puntuales y vacío, las diferencias se vuelven casi unaanécdota. Nuestra posición privilegiada de seres humanos se reduce a una fortuitacombinación de átomos que nos pone en ventaja sobre otros seres y objetos. Elconocimiento sobre la composición de la materia tiene otras implicancias filosóficasfundamentales, fuera del alcance de esta publicación, incluyendo la influencia que hatenido la Física sobre las religiones, desplazándolas del escenario principal queocuparon durante siglos.

Una vez aceptado nuestro interés en el tema, la pregunta a responder es cómo se puede develar la elementalidad. Como se podrán imaginar, cuando uno se acerca al

mundo subatómico, donde nada puede observarse directamente ni siquiera utilizandola tecnología más avanzada, hay que pensar muy seriamente cómo poder identificarestructuras que no son visibles. Deberemos ser extremadamente ingeniosos paralograrlo, y habrá que buscar señales indirectas de la elementalidad en la materia.

Tomemos un ejemplo más sencillo para orientarnos, algo que podamos ver connuestros propios ojos. Si uno recorre la ciudad de Buenos Aires notará que haycientos de miles de edificios y casas, y aunque algunos sean muy parecidos, noencontrará dos que sean absolutamente idénticos. Supongamos, por un momento, quesomos extraterrestres recién llegados a la ciudad (y que en nuestro planeta de origense vive al aire libre, así que no conocemos los edificios) y no tenemos idea sobrecómo se han producido esas construcciones. En principio podríamos pensar que cadauna de ellas es una formación geológica única, fundamental e irrepetible. Sinembargo todas tienen características comunes: sus paredes son planas, tienenaberturas para el ingreso de las personas, para el recambio de aire y la iluminaciónnatural. Algunas tienen techos a dos aguas, otras tienen terrazas, pero hay un patrónde regularidad, o llamémoslo de repetición o periodicidad , en todas ellas que nos dala idea de que están formadas por un número menor de elementos un poco más

primarios, como ladrillos, tejas, puertas y ventanas, entre otras cosas. Y podemos pensar eso aún antes de destruir algunas para comprobarlo, la observación de la periodicidad nos permite intuirlo. Y en realidad, si bien la destrucción de unas pocas

construcciones nos permitirá corroborar nuestra idea, ni siquiera es necesario romperlas paredes para ver los ladrillos con nuestros propios ojos. Una toma de rayos X dealgunas de las paredes, -y en nuestro planeta confiamos plenamente en lo que seobserva en las radiografías ya que estamos acostumbrados a usarlas-, seránsuficientes. Observar objetos en radiografías se ha vuelto tan creíble comoobservarlos a ojo desnudo. En el mundo subatómico deberemos incluso redefinir queentendemos por ver .

A partir de ese paso tenemos un conocimiento científico sobre elementalidad que nos permite simplificar considerablemente la información sobre las construcciones


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edilicias: en lugar de cientos de miles de formaciones geológicas fundamentales sabemos que todas ellas están constituidas por unos pocos componentes básicos. La

increíble diversidad de construcciones se explica simplemente en la gran cantidad,casi inimaginable, de formas en que uno puede combinar unos cuantos miles deladrillos. A partir de la observación de un patrón, formulamos una teoría que pudimosverificar experimentalmente. A veces la ciencia avanza así, con conjeturas elaboradasa partir de alguna observación básica y con una verificación posterior más rigurosa.Otras veces lo hace de una manera completamente diferente, a partir de observacionesextremadamente precisas o, en algunos casos fascinantes, a través de ideas increíbles,a veces originadas en caprichos y sin ningún contraste previo con la realidad, comoveremos.

La búsqueda de patrones de regularidad o periodicidad será fundamental para estudiar

la estructura elemental de la materia. A lo largo de este libro encontraremos que hayotras señales de elementalidad que nos serán particularmente útiles para lograrnuestro fin.

Para finalizar este capítulo, es importante aclarar que no es suficiente encontrar cuálesson las partículas elementales de la materia. Además, debemos comprender cuálesson sus interacciones, esto es, de qué manera se ejercen las partículas fuerzas entre sí.En el caso del átomo, queremos entender qué mantiene al electrón y al núcleo unidos;en el del núcleo, qué ata a los protones y neutrones dentro de él. En el del protóndebemos descubrir qué interacción es responsable de mantener ligados a los quarksque lo forman, con una fuerza tan grande que hace muy difícil separarlos e imposibleobservarlos libres.

Esto es, la teoría de las partículas elementales debe incluir una descripción tanto delos objetos fundamentales que forman la materia como de sus interacciones, quecomo veremos, involucran la aparición de nuevas partículas. No sólo hace faltaencontrar a los ladrillos de la construcción sino descubrir a los diferentes cementos que los mantienen pegados.

A nivel subatómico existen cuatro fuerzas fundamentales, sin embargo, una de ellas,la gravitatoria, es tan extremadamente pequeña cuando se trata de partículas tan

diminutas como las que estudiaremos, que por unos cuantos capítulos nos podemosolvidar de esta interacción por completo.

Nuestra teoría, además, debe ser simple y por ello atractiva, pues es difícil imaginarque la naturaleza haya podido permitir la evolución del universo partiendo de leyesmuy complicadas e intrincadas. Y, si es posible, debe ser correcta, aunque en vista delos cambios producidos durante el siglo XX, nos conformamos con que describa lanaturaleza de la manera más precisa que nos sea posible a las escalas que podemosobservar.

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