la física cuántica y relativista

7/25/2019 La Fsica Cuntica y Relativista

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L A F S I C A C U N T I C A Y R E L A T I V I S T A

HAGAMOSuna pausa en el relato para regresarnos a 1905, ao en queAlbert Einstein fue al fondo de las cosas y revis con esmero los

conceptos de espacio y de tiempo por entonces vigentes Einstein crela teor!a de la relatividad, seg"n la cual no puede #aber ningunapart!cula que se mueva con una velocidad mayor que la de la lu$ en elvac!o %e esta simple proposicin se deduce que el tiempo fluye demanera relativa al observador y que depende de su estado demovimiento Esta cr!ptica frase quiere decir, entre otras cosas, que doseventos simult&neos para un f!sico cualquiera que los observe, no loser!an para otro observador que se moviera respecto al primero Eltiempo absoluto de 'e(ton cede su lugar en la f!sica a una velocidadabsoluta, la de la lu$, que es la m&)ima e)istente en la naturale$a*uando la velocidad de un cuerpo cualquiera es muc#o menor que lade la lu$, +sta aparenta ser infinita ya no e)iste, para todo propsitopr&ctico, un l!mite a la velocidad de cuerpo material alguno -amec&nica relativista predice entonces lo mismo que la ne(toniana Enotros t+rminos, la relatividad slo es crucial al tratar con part!culasmuy r&pidas, que se mueven con velocidades cercanas a la de la lu$.or ello, en nuestra vida diaria los efectos relativistas sondespreciables y el tiempo parece absoluto .or e/emplo, la velocidad deun avin comercial #oy en d!a es del orden de 900 m#, que es milmillones de veces menor que la velocidad cde la lu$ en el vac!o, lacual vale 200 mil ilmetros por segundo3 ni aun con estos aviones

notar!amos la diferencia entre las teor!as ne(tonianas y lasrelativistas

4tra consecuencia de la relatividad que ser& crucial para entender elresto de nuestra #istoria es la equivalencia entre masa my energ!aen reposoE3

E = mc6

-a relacin anterior nos dice que la masa se puede convertir enenerg!a, y viceversa3 si tenemos la suficiente cantidad de energ!a

podremos crear part!culas con masa Esto no es ciencia ficcin, pues#oy se comprueba d!a tras d!a con la operacin de las plantasnucleares, por citar tan slo un caso

*uando se defini la teor!a cu&ntica a mediados de los veintes, la f!sicarelativista #ab!a ya sentado sus reales en la ciencia 'ada m&s natural,entonces, que buscar una teor!a que fuese al mismo tiempo cu&ntica yrelativista Esto fue, precisamente, lo que grandes f!sicos de la +poca


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7olfgang .auli y .aul %irac, entre otros intentaron -a empresa noresult tan f&cil, sin embargo #oy d!a, cincuenta aos despu+s, laf!sica cu&ntico8relativista adolece de varias fallas 'o obstante, algunosresultados est&n firmemente establecidos y constituyen parte esencialde la f!sica moderna

.ara nuestro relato, tres de estos resultados son cruciales3 lae)istencia de las antipart!culas, la relacin entre esp!n y estad!stica yla e)istencia de los portadores de la interaccin

-as antipart!culas fueron sugeridas por %irac en 1921, al buscar unaecuacin relativista y cu&ntica que rigiera el comportamiento de loselectrones -a conclusin inevitable se vino encima al gran f!sicoingl+s3 si e)iste una part!cula tambi+n debe e)istir la correspondienteantipart!cula stas tienen muc#as propiedades id+nticas a susrespectivas part!culas pero difieren en otras, en su carga electrica, por

e/emplo3 si un electrn tiene carga negativa, el antielectrn la tienepositiva y el antiprotn debe estar cargado negativamente con unacarga -e, id+ntica en valor a la del electrn .or esta "ltimapeculiaridad, %irac mismo se confundi al principio y pens que, talve$, protn y electrn ser!an uno la antipart!cula del otro :inembargo, esto no es cierto3 part!cula y antipart!cula siempre tienenadem&s de igual esp!n la misma masa

-a confusin de %irac pronto se aclar, sin embargo ;n /oven f!siconorteamericano, por aquel entonces de veintisiete aos y a escasosdos de #aber obtenido el doctorado, estudiaba fotograf!as de las tra$as

que de/aban en una c&mara de niebla los rayos csmicos stos, muyenerg+ticos, no se pod!an desviar ni aun en campos magn+ticos muyintensos -a desviacin depende de la masa y de la carga el+ctrica dela part!cula afectada y, sobre todo, de su energ!a3 a mayor carga m&scurvatura y la desviacin es menor cuando la masa y la energ!acrecen .or ello Anderson blind la c&mara de niebla con plomo paraba/ar la energ!a de las part!culas csmicas, que luego se curvabandentro del campo magn+tico As! traba/aba Anderson con paciencia,cuando se cru$ por su camino una part!cula, en todo id+ntica alelectrn pero que se curvaba al rev+s, como si tuviera la carga

opuesta .ronto se dio cuenta que #ab!a descubierto la antipart!culadel electrn, el antielectrn, que +l llam positrn 'o cabe duda queAnderson tuvo m&s suerte con su c&mara de niebla que


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se aniquilan, de/ando como rastro tan slo energ!a en forma derayos , de cuantos de lu$ *omo al cuar en la d+cada de lossesentas, al positrn lo persegu!an varios grupos de investigadores entodo el mundo Adem&s de Anderson, que traba/aba en *alifornia,=lacett en rene ?#i/a de


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es un fermin que act"a de acuerdo con el principio de e)clusin y sedice que una part!cula obedece la estad!stica de =ose8Einstein cuandose comporta de manera contraria, cuando le gusta estar cerca de suscong+neres es entonces un bosn no regido por el principio de .auli

.ues bien, el teorema que .auli demostr usando la teor!a cu&ntica8relativista es el siguiente3 las part!culas elementales se dividen en dosy solamente en dos clases, los fermiones y los bosones aquellas queson fermiones tienen un esp!n semientero, mientras que las part!culasde esp!n entero obedecen la estad!stica de =ose8Einstein 'tese que,entonces, el electrn y el positrn, as! como el neutrn y el protn son,como ya di/imos, fermiones El cuanto de lu$, el fotn, por su lado,tiene esp!n igual a hy es, en consecuencia, un bosn %ebemos #acernotar que el teorema de .auli requiere que las part!culas seanelementales, es decir no compuestas, y que supone la posibilidad de#allarlas libres

EL TERCEROde los resultados en que se con/ugan la mec&nica cu&nticay la teor!a de la relatividad demuestra la e)istencia de los portadoresde la interaccin Iale la pena entretenernos un momento aqu! pues enlo que sigue se ver& en todo su esplendor cmo ra$onan los buenosf!sicos, con unos cuantos principios b&sicos a la mano, para sacarconclusiones de car&cter muy general

.ensemos cmo interact"a una persona con otra ale/ada de ella, si seencuentran ambas en un cuarto obscuro ;na de las personas deseaenviarle un mensa/e a la otra, para tener accin sobre ella -arespuesta es sencilla3 le #abla y pasa as! el mensa/e JKu+ dir!a unf!sico cl&sico sobre este sencillo proceso, tan com"n en nuestra vidadiariaL .ues dir!a que una de las personas, el emisor, crea a sualrededor un campo de ondas sonoras, las cuales luego son captadaspor el receptor, que descifra en su cerebro la seal El campo, en estecaso, est& formado por las compresiones y rarefacciones del aire quese producen en el cuarto obscuro Ellas forman una onda longitudinalque se propaga con la velocidad del sonido en el aire, que vale unos2M0 ms En el proceso se conserva la energ!a, pues la de las ondassonoras provino del esfuer$o que #i$o la persona emisora al gritar

;n f!sico cu&ntico, al pensar en la interaccin de dos part!culasmicroscpicas ra$onar!a de la misma manera3 una de las part!culascrea un campo a su alrededor, que luego es detectado por la otra, queas! resiente la presencia de la primera .ero, Jqu+ dir!a de laconservacin de la energ!aL JAct"a en la misma forma este principiogeneral de la f!sica en la teor!a cu&ntica que en la cl&sicaL -a respuestaes s! y no Ieamos por qu+


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As! como el principio de Heisenberg impide definir totalmente y almismo tiempo el valor de la velocidad y de la posicin de una part!cula,tambi+n impide que se puedan medir con toda precisin la energ!a deun proceso y el tiempo que dura .ara determinar la energ!a de unsistema cuantico sin incertidumbre alguna #ay que emprender un

proceso de medicin cuya duracin Ces infinita .uesto al rev+s3 laenerg!a de un sistema puede fluctuar y esta fluctuacin es menormientras mayor sea el tiempo que dure luctuaciones grandes en laenerg!a ocurren durante tiempos muy cortos *omo en el caso delmomento lineal y la posicin, el producto de la incertidumbre en laenerg!a Ey en el tiempo t es del orden de la constante de .lanc

Hasta aqu! el f!sico cu&ntico pero a#ora #ag&moslo relativista l sabeque la energ!a y la masa son equivalentes, son dos aspectos distintosde lo mismo %ir!a entonces que la fluctuacin cu&ntica de la energ!apuede llegar a manifestarse como masa, puede crear otra part!cula, en

un proceso an&logo al que observ =lacett en la creacin del parelectrn8positrn Esas nuevas part!culas, que surgen alrededor delsistema cu&ntico si #ay suficiente energ!a, tienen vida ef!mera, puesslo duran lo que la fluctuacin de la energ!a permite


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cuantas fuer$as fundamentales, o sea, al intercambio de unos pocosbosones mensa/eros Nelatemos cmo #a ocurrido esto

'O CABEduda que el m&s grande f!sico nuclear de los treintas ?y demuc#as otras d+cadas@ fue Enrico ermi -uego de graduarse en 19FF

en .isa y de #acer traba/o posdoctoral con =orn en Alemania, ermifue contratado como profesor de la ;niversidad de Noma en 19FO, enla >talia de =enito nstituto de !sica, ermiestableci un grupo de investigacin que en breves aos tal ve$incluso meses se convirti en uno de los m&s importantes delmundo ;na me$cla rara de genio terico, e)perimentador muy apto e,incluso, de #&bil profesor y #ombre de relaciones p"blicas, ermiencontr su mina de oro con las part!culas neutras A principios de lad+cada de los treinta, formul su teor!a de la desintegracin betabauti$ando, de paso, con el diminutivo italiano neutrinoa la part!cula

neutra y ligera postulada antes por .auli para evitar la violacin a laley de la conservacin de la energ!a en el decaimiento beta -a famadel grupo de ermi provendr!a, sin embargo, de sus descubrimientoscon neutrones, en particular los lentos -as publicaciones del gruporomano se suceden una a la otra, casi por semanas ermi asegura elcr+dito para su grupo publicando sus resultados en RicercaScientifica,modesta revista italiana sin &rbitros que dilataran laaparicin de sus art!culos Podo ello culmin en 192Q, cuando se leotorg el premio 'obel de f!sica -os ermi el mismo antifascista, y-aura, su mu/er /ud!a via/aron directamente de Estocolmo a losEstados ;nidos, convirti+ndose as! en e)iliados En una canc#a desquas# de la ;niversidad de *#icago, ermi ec# a andar el primerreactor nuclear, y de a#! a la bomba atmica, slo un paso .ero +staes otra #istoria, pues para la nuestra lo interesante es su teor!a de ladesintegracin beta y los neutrinos a#! aparece por primera ve$ en laf!sica la que ser!a la cuarta interaccin fundamental3 la fuer$a d+bil

*omo ya di/imos, la radiacin se conoc!a desde principios de siglo %e#ec#o, los f!sicos supieron de las radiaciones que emiten los n"cleosantes de saber de la e)istencia de +stos En la desintegracineln"cleo pasa de un estado inicial dado a otro con propiedades

espec!ficas, por lo que la energ!a del electrn que constituye laradiacin deber!a tener un valor muy bien determinado :in embargo,tal no es el caso -os rayos tienen un espectro continuo de energ!a,por lo que la conservacin de +sta se ve en peligro .ara evitar laviolacin de una ley tan cara a los f!sicos, .auli sugiri en 1920 que, aldesintegrarse, el nucleo emit!a adem&s del electrn otra part!cula,neutra y con una masa muy pequea, si no nula .ara evitar laconfusin con el neutrn de *#ad(ic, ermi bauti$ a esa pequea y


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elusiva part!cula neutra con el nombre de neutrino, el pequeo neutrno neutroncito

%espu+s de asistir a la *onferencia :olvay, que tuvo lugar en =ruselasen 1922, ermi regres inquieto a Noma y, slo dos meses despu+s,

escribi su art!culo sobre la desintegracin En +l, inspirado en lateor!a de la radiacin electromagn+tica de %irac, transform la#iptesis cualitativa de .auli en una verdadera teor!a, con la cual pudocalcular muc#as cosas3 la relacin entre la energ!a de desintegracin yla vida media la distribucin de energ!as del electrn que se creabaal tiempo de emisin, igual que los fotones en los estados atmicose)citados las llamadas reglas de seleccin, que fi/aban lascondiciones sobre los estados nucleares para que ladesintegracin pudiera ocurrir

.ara lograr lo anterior, ermi #ubo de suponer que el neutrino era muy

ligero, que ten!a esp!n igual a / 2?o sea, igual al del electrn@ y queinteractuaba d+bilmente con la materia Adem&s, su teor!a eracu&ntico8relativista y, lo m&s importante, requer!a de la presencia deuna nueva fuer$a A +sta, por ser m&s d+bil que la electromagn+tica,se le llam la interaccin d+bil Podo ello resulta agradable y muysatisfactorio slo #ab!a una mosca en la sopa3 el elusivo neutrino nose de/aba ver1

*on la interaccin d+bil se completa el cuadro de las interacciones ofuer$as fundamentales que act"an en la naturale$a En la f!sica cl&sica

se reconoc!an ya dos de ellas3 la gravitacional y la electromagn+tica-os primeros aos de la f!sica nuclear for$aron a los investigadores aintroducir dos nuevas interacciones3 la fuerte, responsable de ligar aneutrones y protones para formar n"cleos, y la d+bil, que causa ladesintegracin del n"cleo y #ace que un neutrn libre no sea estableA diferencia de las dos primeras fuer$as, la d+bil y la fuerte tienen muycorto alcance, cercano al tamao del n"cleo .or ello su influencia noes apreciable directamente en el mundo a gran escala, y ni siquiera enel nivel atmico

Es interesante comparar la intensidad de las cuatro interaccionesfundamentales :i la fuer$a electromagn+tica valiera 1, la nuclear ser!a100 veces mayor por su parte, la d+bil valdr!a 10811y la gravitacionaltendr!a una accin 1082Oveces menor que la el+ctrica Aunque lagravitacional es tan pero tan d+bil, su efecto se de/a sentir en nuestromundo porque la materia es el+ctricamente neutra las consecuenciasde la fuer$a gravitacional, por el contrario, se suman -a accingravitatoria es grande al tratar con masas macroscpicas, pero
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/22/htm/sec_14.html#ID932http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/22/htm/sec_14.html#ID932


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probablemente despreciable entre part!culas tan ligeras como lasllamadas elementales

NOTAS

1%e #ec#o, no fue sino #asta muc#o tiempo despu+s, en 195O,cuando pudo detectarse el neutrino .auli vivi para ver que sucon/etura era cierta, pero ermi no, pues muri en diciembre de 195M

:I OBSERVAMOSun granito de arena cuya longitud caracter!stica sea,digamos, de un cent+simo de cent!m+tro vemos que se comportaigual que un ob/eto cualquiera a nuestro alrededor ;n &tomo, cuyotamao es die$ mil veces menor al del granito, presenta yapropiedades sui generis -as ondas de %e =roglie para ese &tomotienen una longitud de onda comparable al tamao del &tomo mismo ylos efectos cu&nticos #acen su aparicin :i a#ora reducimos la escala

otras cien mil veces llegamos al tamao del n"cleo 'o aparece, comoal ir del granito de arena al &tomo, una nueva f!sica, la mec&nicasubcu&ntica, digamos :in embargo, el cambio de escala #ace que laslongitudes de onda involucradas sean tan pequeas que el momentolineal de las part!culas, y de a#! su energ!a cin+tica, cre$can muc#o,#asta que la "ltima sea del mismo orden que su energ!a en reposo E =mc.-as part!culas elementales son, pues, r&pidas y pequeas3 paratratar con ellas, la mec&nica #a de ser no slo cu&ntica sino relativista*on ello se abre un nuevo mundo en la f!sica3 la teor!a cu&ntica delcampo

-a teor!a cu&ntica del campo se aplic primero para entender elelectromagnetismo .auli y %irac dieron, all& por la +poca de la Gran%epresin, los primeros pasos para formular la electrodin&micacu&ntica

.ensemos en un problema tan simple en apariencia como doselectrones en reposo, uno frente al otro, que interact"an por la fuer$ade *oulomb JKu+ tiene esta interaccin que ver con los fotones queforman la lu$, ella misma una manifestacin del campoelectromagn+ticoL Da lo #emos dic#o3 por la incertidumbre entre

energ!a y tiempo, y la relacin entre masa y energ!a, la masa delelectrn fluct"a continuamente y esta part!cula puede emitir fotonesef!meros, que llamaremos virtuales


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#aya en un proceso, menor duracin tiene +ste y su importanciarelativa disminuye -a accin con/unta de todos los procesos virtuales,en el caso electromagn+tico que nos ocupa, tiende entonces a un valorfinito, calculable y susceptible de ser verificado -os resultados tericosde la electrodin&mica cu&ntica obtenidos por :c#(inger, eynman,

%yson y Pomonaga poco despu+s de la segunda Guerra


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mientras que las cargadas positivamente se desintegran en un positrny los correspondientes neutrino y antineutrino

El /"bilo de los f!sicos fue grande al conocer la e)istencia de unapart!cula de masa intermedia Ello confirmaba, en apariencia, las ideas

de Dua(a y pon!a a la teor!a cu&ntica y relativista sobre terrenofirme 'o obstante, el go$o se vino al po$o, pues pronto se mostr queesa part!cula pod!a c#ocar libremente con los n"cleos sin que +stos laatraparan En tal condicin, no podr!a ser un efectivo mensa/ero de lainteraccin nuclear -a part!cula , no es, pues, el mesn predic#o porDua(a

As!, y aunque no #ubo que esperarlo tanto como al neutrino de .auli,el mesn de Dua(a qued en el limbo #asta 19MS Ese ao, los f!sicos-attes, 4cc#ialini y .o(ell brasileo el primero, italiano el segundo eingl+s el "ltimo encontraron en los rayos csmicos detectados en el

observatorio de *#acaltaya, en =olivia, otra part!cula de masaintermedia que s! interactuaba fuertemente con los n"cleos As! fuedescubierto el mesno pion, como a#ora se le conoce y cuya masa escercana a 200 veces la del electrn Dua(a y los tericos del campocu&ntico pudieron dormir tranquilos

.oco tiempo despu+s, cuando el ciclotrn de =ereley entr enoperacin en 19MQ, fue posible producir piones en el laboratorio :e lesencontr cargados, Ty 8se les llam, y tambi+n neutros, los 0quedecaen en dos fotones muy energ+ticos Este "ltimo proceso muestra

que el pion obedece la estad!stica de =ose8Einstein, lo cual tambi+n essatisfactorio3 como buen portador de una fuer$a, el mesn es unbosn

JKu+ pas mientras tanto con el mesn L .ues lo primero que sedescubri, en 19O1, es que no es un mesn, sino m&s bien un electrngordo En todas sus caracter!sticas, salvo la masa, parecer!a unar+plica pesada del electrn .or ello a#ora se le conoce como muon yya no como mesn %os aos despu+s, en 19O2, se descubritambi+n que los neutrinos emitidos por el muon al decaer no eranid+nticos a aquellos que acompaan al electrn en la desintegracin

beta E)isten, pues, dos clases de neutrinos, vey vm, que acompaanal electrn y al muon, respectivamente

En todo caso, el $oolgico subnuclear se empie$a a llenar depersona/es

*OMOvemos, muc#as de las part!culas descubiertas en los treintasfueron #alladas en los rayos csmicos Estos rayos, formados por


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part!culas de muy alta energ!a, provienen del espacio e)terior, como sunombre mismo lo indica %e a#! que con ellos sea dif!cil reali$arobservaciones controladas, es decir, e)perimentos .or eso, los f!sicosdesde #ace m&s de 50 aos buscaron producir, acelerarcontroladamente y luego detectar las min"sculas part!culas que forman

el cora$n de la materia

Aunque el primer acelerador fue el tubo de *rooes, que empu/abaelectrones y que es el antecesor del cinescopio que casi todos tenemosen casa, la f!sica de aceleradores propiamente dic#a empie$a en 19F9en el *avendis# -aboratory en *ambridge, >nglaterra All!, ba/o latutela amistosa y la mirada de tigre bueno de lord Nut#erford, dos

/venes f!sicos, *ocroft y 7alton, consiguieron altos volta/es paraacelerar protones #asta una energ!a de Q00 000 eI .or esas +pocas,en el P, Ian de Graaff desarroll otro acelerador nuclear, tambi+nelectrost&tico, que permit!a obtener energ!as a"n mayores

Kuien logr el primer acelerador electromagn+tico fue -a(rence,inventor del ciclotrn en 192F Al poner las cargas dentro de un campomagn+tico se les fuer$a a moverse en c!rculos luego de cada vuelta seles da un pequeo empu/n Iuelta tras vuelta se repite el proceso, ylas part!culas adquieren cada ve$ m&s energ!a En ve$ de un solo golpefuerte, como en las m&quinas electrost&ticas, las part!culas recibenmuc#os golpecitos en sucesin

En los cuarentas, al ciclotrn sucedieron aceleradores m&s potentes3primero el sincrociclotrn, luego el sincrotrn, #asta llegar en 19OS a la

gran m&quina que acelera protones #asta S0 000 millones de electrn8voltios y que instalaron en :erpu#ov los sovi+ticos, y en 19OO alpoderoso acelerador lineal de la ;niversidad de :tanford Este "ltimotipo de acelerador tiene la venta/a de eliminar p+rdidas de energ!a porradiacin, inevitables cuando una part!cula cargada da vueltas, tal ycomo ocurre en los aceleradores circulares .ara reducir esas p+rdidas,+stos "ltimos deben tener radios cada ve$ m&s grandes, que ya llegana muc#!simos metros en la actualidad

En los "ltimos tiempos la empresa de acelerar part!culas se #a

convertido en monumental e incluso para pa!ses dispuestos a invertircantidades astronmicas ?cada ve$ m&s@ de pesos, como la ;nin:ovi+tica y los Estados ;nidos, es muy gravosa .or ello se #anformado consorcios internacionales para disear, construir y operar losgrandes aceleradores de protones y electrones -a primera y #astaa#ora la m&s e)itosa de estas asociaciones internacionales fue el*onse/o Europeo para la >nvestigacin 'uclear ?*EN', por sus siglas


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en franc+s@, cuya sede est& en Ginebra y donde muc#osdescubrimientos importantes para la f!sica de part!culas se #an #ec#o


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m&quinas se #acen girar en sentido contrario dos #aces, uno formadopor electrones y el otro por positrones -os #aces de materia yantimateria se entrecru$an y a veces las part!culas se encuentran consus antipart!culas con ello se aniquilan y se produce una cantidadenorme de energ!a Esta "ltima, a su ve$, puede manifestarse comomasa, es decir, diversas part!culas con muy diferentes propiedadespueden crearse

%os aos despu+s de la instalacin de :.EAN, un grupo de f!sicosnorteamericanos, dirigido por


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di/eron .erl y sus colaboradores, que as! sea =usquemos, pues, eltercer miembro cargado el+ctricamente de la familia de los leptones :i#a de e)istir, llam+mosle , porque esta letra es la primera delgriego tritos, que significa tercero .ero nunca perdamos de vistanuestras reglas de conducta, y pregunt+monos qu+ seas particularesde/ar!a ese supuesto taun

.rimero se supuso que llevar!a su propio n"mero leptnico, a#ora decar&cter tautnico Entonces, la tau se desintegrar!a tambi+n a causade la interaccin d+bil aunque puede #acerlo al menos de dos modos3producir!a un neutrino tipo t , un muon y un antineutrino munico, obien un electrn y un antineutrino electrnico as! como un neutrinotipo se tienen, desde luego, los correspondientes procesos para laantitau Iamos por buen camino, pues en la colisin electrn8positrnesperamos generar un par tau8antitau en tal caso, ver!amos al finalun electrn y un muon ?o sus antipart!culas@ -a presencia simult&neade ey ser!a la #uella de tau a buscarla debe dirigirse el

e)perimento

En 19SM se encontraron veinte sucesos como los descritos la masa deltaun ser!a cercana a veinte veces la masa del muon %os aosdespu+s ya se #ab!a detectado la #uella de m&s de F00 veces ;ngrupo alem&n, con su anillo de almacenamiento %4N>:, repiti luego ele)perimento y confirm la e)istencia de t, el tercer miembro de lafamilia que de/ de ser ligera

Iemos que la clasificacin de las llamadas part!culas elementales porsu masa no es buena ;na ta)onom!a me/or se logra caracteri$&ndolaspor las interacciones que sufren As!, a#ora decimos que los leptonesson aquellos que pueden interactuar electromagn+tica y d+bilmente,pero que son insensibles a la interaccin fuerte

%espu+s de todo ello, la familia de los leptones tiene seis miembros ?ysus correspondientes antimiembros@3 el electrn, , y sus respectivosneutrinos1-os tres primeros est&n cargados, y en consecuenciasienten la interaccin electromagn+tica .or otro lado, y esto es crucialpara nuestra #istoria, no #a #abido indicio alguno de que estosleptones tengan estructura, es decir, de que no sean elementales -osleptones son ob/etos puntuales, son realmente indivisibles En talsentido, forman parte de esa familia de U&tomos verdaderosU que

#emos perseguido a lo largo de nuestro relato

:in embargo, los leptones no son los "nicos verdaderamenteelementales -os f!sicos de finales de los oc#entas creen que e)istenotras part!culas tambi+n elementales3 los cuars Ieamos a#ora su#istoria

NOTAS


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1En el anillo de colisiones que est en Hamburgo, y que se llama PETRA, se ha

demostrado que no existen otros leptones con masa entre la de y 10 eces !sta"

X I I I . L A H I S T O R I A S E R E P I T E

A PRINCIPIOSde siglo, Nut#erford lan$ part!culas a contra l&minas demetal formadas por &tomos -leg a la conclusin de que el &tomo eraun sistema compuesto, con un n"cleo masivo en el centro y electronesa su alrededor -os f!sicos de :tanford, con su acelerador lineal :-A*,mostraron, con un e)perimento en esencia igual al de Nut#erford, quea una escala 100 000 veces menor que la atmica la #istoria se repite3los nucleones tambi+n tienen una complicada estructura interna.rotn y neutrn no son, en consecuencia, part!culas verdaderamenteelementales

-a diferencia entre las e)periencias de Nut#erford y los e)perimentosde :tanford se puede ver f&cilmente si usamos, una ve$ m&s, elprincipio de incertidumbre de Heisenberg *on el :-A* queremos verdistancias del orden de un fermi, 10 812cm El UmicroscopioU necesariodebe usar una radiacin con la longitud de onda apropiada para estaescala :i se aceleran electrones, como en este acelerador, el momento

lineal que corresponde a y 1fermi implica una energ!a paraesos proyectiles que es del orden de los mil millones de electrn8voltios Esta es a#ora la unidad pertinente de energ!a, y le llamamosgiga8electrn8voltio, GeI por brevedad *on el super microscopioelectrnico :-A* podemos UverU lo que ocurre dentro de un protn En

particular, es posible averiguar si esta part!cula tiene algo dentro, o sies puntual y en consecuencia verdaderamente elemental Haysorpresas en puerta

Nesulta cmodo, por varias ra$ones, usar electrones para anali$arprotones .rimero, y #asta donde sabemos, el electrn es una part!culapuntual En segundo lugar, nucleones y electrones interact"an pormedio de las fuer$as electromagn+tica y d+bil, pero no a trav+s de lafuerte Es m&s, la fuer$a d+bil es tan d+bil si se compara con laelectromagn+tica, que +sta "ltima es la "nica que rige la colisin de unelectrn muy velo$ con el blanco de protones .ero entonces vamos

por buen camino, pues el electromagnetismo es el "nico dominio de laf!sica en que nos movemos con pie seguro -a electrodin&mica cu&ntica?y cuando la situacin f!sica as! lo permite, su l!mite cl&sico@ #amostrado su valide$ aun cuantitativa en cuanto e)perimento se la #aprobado, desde distancias csmicas #asta 10815cent!metros .uesto enotros t+rminos3 podemos suponer que conocemos bien cmo secomporta un e)perimento con electrones de alta energ!a


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-os resultados de los e)perimentos de :tanford y otros seme/antesllevados a cabo en Europa son tan interesantes, o acaso m&s, que losque obtuvo Nut#erford CEl protn y el neutrn no son elementales Esm&s, los e)perimentos pueden entenderse si se supone que el electrnde alt!sima energ!a detecta un con/unto de part!culas verdaderamentepuntuales que se mueven libremente dentro del protn El f!siconorteamericano Nic#ard eynman, uno de los creadores de laelectrodin&mica cu&ntica, llam partones a esas masas puntualesconstituyentes del nuclen J:er&n estos partones otros verdaderos&tomos, que /unto con los leptones sean realmente elementalesL

Antes de intentar la respuesta que #oy se da a esta pregunta en lateor!a moderna la cromodin&mica cu&ntica, veamos algo m&s sobrela familia barinica Entre 1950 y 19O0 se descubri una gran multitudde miembros de esta familia, todos m&s pesados que el protn Elprimer miembro de este grupo fue descubierto en 195F con elentonces nuevo ciclotrn de la ;niversidad de *#icago El proyecto,

dirigido por Enrico ermi, buscaba entender me/or a los pionesHaciendo c#ocar protones con nucleones se produc!an mesones T, queluego formaban un #a$ secundario de energ!a bien definida *on ellosse pod!an #acer e)perimentos en que c#oca un pion contra un neutrno contra un protn El grupo de ermi descubri que la colisin entre elpion y el nuclen mostraba una peculiaridad a unos 200


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neutrn #n$tienen casi la misma masa lo mismo es cierto para laspart!culas sigma A estas coincidencias en la masa de las part!culas losespectroscopistas les llaman, respectivamente, un doblete y untriplete 'otese que en 195S se cre!a en la e)istencia del #ipern 0, lacascada neutra, aunque no se le #ab!a detectado 4tro #ec#ointeresante que debemos notar en la tabla es la vida media de los#iperones3 es siempre del orden de 10 810seg, un tiempo pequeo si semide en segundos, Cpero increiblemente largo si se mide en lasunidades de tiempo apropiadas para la interaccin fuerte, tiempo quees del orden de 108F2segundos

En efecto, la longitud t!pica que ocupan los nucleones e #iperones es 1fermi, o sea 10812cm :i una part!cula cru$a esta distancia a unavelocidad cercana a la de lu$, es decir 2 V 1010cmseg, tarda menosde 108F2seg en #acerlo ste es el tiempo caracter!stico que toman lasinteracciones fuertes


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-a segunda espectroscop!a, la nuclear, nos permite poner a pruebaesta "ltima afirmacin contundente3 la fuer$a nuclear no distingueentre un protn y un neutrn :i anali$amos el espectro de energ!as dedos n"cleos, uno con &protones y ' neutrones, y el otrocon 'protones y &neutrones, el e)perimento no deber!a distinguir, demanera burda, uno del otro Penemos en la naturale$a muc#as deestas pare/as, llamadas n"cleos espe/o3 litio S y berilio S, o boro 11 ycarbono 11, por e/emplo *omprobamos, en efecto, la gran seme/an$ade los espectros y de a#! que la interaccin fuerte sea insensible alvalor de (2R ?&8 '@F, cantidad que se conoce t+cnicamente comoUtercera componente del esp!n isotpicoU .ara nuestros propsitos,b&stenos saber que la carga el+ctrica )de los nucleones puedeescribirse como

)R(2T*F,

donde*es el n"mero de masa barinico, que vale 1 para los

nucleones y los #iperones, y 0 para los piones y otros mesones *oneste nuevo concepto cu&ntico, el esp!n isotpico, caracteri$amos a losmultipletes de resonancias, que tienen casi igual masa pero diferentecarga el+ctrica .uesto de otra manera3 la interaccin fuerte respeta alesp!n isotpico, no puede cambiar su valor

A#ora podemos regresar a la discusin de la gran vida media de los#iperones , , etc Estas part!culas tienen otra propiedad e)traa, quetambi+n es respetada por la fuer$a nuclear Es decir, ning"n procesocausado por la interaccin fuerte puede cambiar el valor de estapropiedad .or e)traa, se le dio el nombre de e)trae$a y els!mbolo S?de la inicial de la palabra inglesa strange@ .ara part!culase)traas la relacin anterior #a de generali$arse, que fue e)actamentelo que #icieron el f!sico americano


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del pion Estas part!culas %no se ven con frecuencia, por lo que laprobabilidad de #allar dos de ellas deber!a ser peque!sima :inembargo, a menudo se ven en pare/as y, adem&s, una de ellas decaeluego en un protn En otras palabras, al c#ocar los rayos csmicos dealta energ!a con la materia se da la produccin asociada de un mesny de un #ipern, que vienen siempre por pare/as Estas part!culasdeber&n ser e)traas, una con S R T1, y otra con SR 81, de talmanera que el estado final no tenga e)trae$a E)isten, pues, losmesones e)traos3 con SR 1,*R 0 y (2R T1F, por e/emplo,formar!amos lo que a#ora se conoce como el doblete e)trao formadopor +Ty+0 , que son los mesones #oy llamados aones, de masacercana a 500


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*on sus poderosos aceleradores, los f!sicos descubrieron en unoscuantos aos decenas de part!culas que pueblan el mundosubmicroscpico *omo ya di/imos, las agruparon en tres familias,leptones, mesones y bariones Esta clasificacin, que en principioobedec!a a la masa de las part!culas elementales, no es buena As!,e)iste el leptn tau, que es m&s pesado que muc#os bariones, y variosde +stos tienen una masa menor que algunos mesones Adem&s, losbariones y mesones no pueden ser elementales, pues #ay tantos deellos que incluso superan en n"mero a los elementos de la tablaperidica de


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#asta a#ora su estructura3 por m&s e)perimentos que se #an #ec#o, elelectrn, por e/emplo, siempre aparenta ser elemental .or otrolado,yno son estables y podr!an no ser elementales -a e)istenciamisma de los leptones pesados sigue siendo un gran misterio

*on la otra familia de part!culas elementales, los #adrones, lanaturale$a #a sido menos recatada Adem&s del protn, el neutrn ylos mesones e)iste una multitud de #adrones, que son muy masivos yef!meros Haciendo c#ocar violentamente electrones con positrones obien protones con antiprotones, los investigadores #an descubierto consus potentes aceleradores muc#as decenas de #adrones y les #anmedido su masa y su esp!n, su carga y su e)trae$a .or todo ello,resulta evidente que los #adrones son part!culas compuestas, y norealmente elementales

As! aparece en la escena f!sica quien seguramente #abr& serconsiderado el


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que se encuentra la part!cula delta #allada por ermi en 195F :i seacepta un orden, como el impuesto en la simetr!a S#3$, estossupermultipletes no son arbitrarios por e/emplo, puede #aberlos de 1,de Q, de 10 miembros, pero ning"n supermultiplete consiste,digamos, de nueve resonancias .or tanto, al usar la teor!a de grupos,podemos asegurar que ese grupo de nueve resonancias est&incompleto, como tambi+n lo estaba la tabla de #iperones del cap!tulo

anterior antes del descubrimiento de la part!cula #oy llamadacascada Al grupo de nueve resonancias le falta tambi+n un miembro,que Gell8


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-a matem&tica detr&s del modelo S?2@ sugiere que los #adrones noson elementales, sino formados por entes a"n m&s b&sicos Estosnuevos entes, los cuars, ser!an, a#ora s!, elementales Algunose)perimentos, como los ya mencionados en que se bombardeannucleones con electrones de muy alta energ!a, indican que dentro delprotn #ay tres cuars en la misma forma, un mesn estar!a formado

por la unin de un cuar y un anticuar, que denotaremos como

En su versin original, el modelo de cuars supuso la e)istencia de tresde ellos3 el cuaru,el dy el s, as! como sus correspondientes

anticuars Podos ellos son fermiones, con esp!n F, igual que losleptones -os cuars uy dtienen e)trae$a nula, pero para elcuar s este n"mero cu&ntico vale 81 *on ello se pueden generarpart!culas compuestas que sean e)traas o part!culas cuya e)trae$avalga cero :eg"n el principio de e)clusin de .auli, con tres fermionesconstruir!amos otro fermin3 as! se obtienen los bariones, todos ellos

con esp!n semientero En cambio, para formar los mesones, que sonbosones, se requiere un n"mero par de cuars En realidad losmesones son la moneda con que se intercambia la energ!a en elmundo subnuclear -os mesones son cuantos de energ!a que puedenemitirse y absorberse libremente .or ello, en el modelo de cuars sesupone que est&n formados por la unin de un cuar y un anticuarEsta pare/a part!cula8antipart!cula puede aniquilarse, convertirse as! enenerg!a y ser el emisario de la interaccin

*on los tres cuars u, dy sse pod!an e)plicar grosso modocasi todoslos #ec#os conocidos, a mediados de los sesentas, para los bariones-o anterior es cierto a condicin de que se #icieran algunas

suposiciones raras En primer lugar, la carga de los cuars no ser!a unm"ltiplo entero ?positivo o negativo@ de la carga del electrn Enefecto, es necesario suponer que el cuar ulleva una carga igual a?F2@e,y que los cuars d y stienen carga negativa igual a ?812@e \-a condicin es rara, pues #asta entonces todo entesubnuclear se nos #ab!a aparecido con cargas m"ltiplos del electrn.or otro lado, el #ec#o de tener cargas fraccionarias #ar!a al cuar muyconspicuo *on ello en mente se disearon los e)perimentos paraencontrar al cuar libre

*omo ya di/imos,


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que #ab!an detectado tra$as delgadas, como las que producir!a uncuar :in duda, ese descubrimiento #ubiera sido tan importante comolo fue el del electrn, setenta aos antes :in embargo, y tal comorelatamos al principio de esta #istoria, el #alla$go de


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X V . E L M O D E L O D E C U A R K SE V O L U C I O N A

.ARA

formar la part!cula 8

, aquella cuyo descubrimiento refor$ lateor!a S?2@ y abri la puerta de la f!sica a los cuars, se requierentres cuars s que ocupen el mismo estado Esta afirmacin tan simplecaus una verdadera conmocin en la f!sica de los cuars .or un lado,es necesario que tengan esp!n semientero y se comporten comofermiones por el otro, parecen ocupar los mismos estados, como slopueden #acerlo los bosones El teorema de .auli, una de las columnasb&sicas de la mec&nica cu&ntica y relativista, pone en entredic#o almodelo original de los cuars :i a esto agregamos que el cuar libreno se #a observado, parecer!a que todos los caminos de salvacin delcuar se #ubieran agotado y los f!sicos deber!an investigar por otrasv!as :in embargo, no #a sido as! los f!sicos se #an empecinado y elderrotero de su ciencia sigue #asta el presente unido al de los cuars

Ante la disyuntiva de eliminar un principio fundamental como el de.auli, que liga esp!n y estad!stica, o de dar por concluido un modeloparticular, como el de los cuars, lo primero que intentan los cient!ficoses claro3 #acen prevalecer el principio general :i queremos mantenerel modelo particular, +ste #a de evolucionar Ello fue precisamente loque ocurri con los cuars

.ara percatamos de cmo se gener esta evolucin del modelo de loscuars, pensemos por un momento en lo que #ubiera ocurrido si .auli,

ya poseedor de su principio de e)clusin, #ubiera anali$ado losespectros atmicos sin conocer el esp!n del electrn Negresemos,pues, por un instante a la primera espectroscop!a, la atmicaEvidencias tan conspicuas como la de los gases nobles o inertes#ubieran representado una violacin al principio de e)clusin .arae)plicar su poca afinidad a me$clarse con otros &tomos y su granestabilidad energ+tica, es necesario, por e/emplo en el caso del #elio,que los dos electrones ocupen el mismo estado cu&ntico -o mismopodr!a decirse de las regularidades en la tabla peridica de


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E)actamente as! procedieron los f!sicos de part!culas elementales parasalvar el modelo de los cuars3 le ad/udicaron a +stos una nuevapropiedad, que en el lengua/e florido de la f!sica moderna llamaronUcolorU

Hemos dic#o que las reglas del modelo de cuars nos dan, de manera

muy econmica, la posibilidad de entender cmo est&n formadas lasdistintas familias de #adrones, en particular si se les agrupa por elvalor de su esp!n .ara ello es necesario que los cuars tengan esp!n

semientero igual a F y una carga fraccionaria %e acuerdo alteorema de .auli, los cuars son entonces fermiones En consecuencia,estados barinicos como el 8en que tres cuars socupan el mismoestado, nos enfrentan a una parado/a3 los cuars #an de tener esp!nsemientero pero obedecen la estad!stica de part!culas con esp!nentero Esto no parece ra$onable, pues no #ay motivo alguno para quelos cuars no obede$can un principio general, que siguen al pie de laletra todas las part!culas conocidas y que est& en el cora$n mismo dela f!sica moderna

En 19OM se sugiri la solucin de esta parado/a, solucin que recuerdaaquella que, #ipot+ticamente, #ubiera seguido .auli de #allarse en lamisma situacin3 los cuars tienen otra propiedad, que puede tomartres valores A falta de un nombre me/or, a esa propiedad se le llamcolor, que desde luego nada tiene que ver con las propiedades visualesdel cuar *uars con id+ntica masa, carga, esp!n, e)trae$a y todaslas dem&s propiedades medibles, pueden tener tres diferentes colores,digamos ro/o, verde o a$ul *on ello ya no se viola el principio dee)clusin, pues al tener diferente color, los cuars ya no ocupar!an el

mismo estado En el caso de la 8

por e/emplo, #abr!a un cuar decada color y, como en el famoso disco de colores de 'e(ton, el barinresultante se ver!a blanco, no tendr!a color

-a regla que #emos enunciado para 8debe ser v&lida en general paralos bariones3 cada uno de los tres cuars que los forman debe tener uncolor diferente -a regla an&loga para los mesones es la siguiente3 elcuar y el anticuar dentro de un mesn tienen un color y sucomplementario ?el anticolor@, pero cada uno de los tres colores debeestar igualmente representado 4tra ve$, los mesones no tienen color*on estas dos simples reglas, el n"mero de #adrones que puedenformarse con cuars no se aumenta, a pesar de que el n"mero decuars pas de ser tres en la teor!a primera a nueve con la #iptesisdel color En particular, con esta regla se evitan los estados e)ticos,como los formados por dos cuars

*on lo #asta aqu! dic#o, la teor!a del color parece una mera#iptesis ad hocpara salvar al modelo de los cuars :i esta e)tensindel modelo #a de ser real, debe permitirnos predecir nuevosfenmenos, e)plicar #ec#os aparentemente no correlacionados entre s!


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y ligar conceptos tericos profundos y arraigados en la descripcin dela naturale$a Podo ello #a sido posible, como a#ora veremos, con la#ipot+sis del color .or eso, a lo largo de los die$ "ltimos aos, se #aconvertido en una verdadera teor!a, la cromodin&mica cu&ntica, que#oy por #oy es la m&s avan$ada para entender el mundo de los#adrones

;na de las primeras predicciones de la teor!a del color tiene que vercon la vida media del pion neutro, que casi siempre se desintegra endos fotones Este proceso depende del cuadrado del n"mero de colorespresentes en el pion El valor e)perimental se e)plica si se supone quee)isten tres, y nada m&s tres, colores 4tra prediccin de los cuarscoloreados surge al considerar la aniquilacin electrn8positrn a muyaltas energ!as %e este proceso resultan todo tipo de part!culas aveces un grupo de #adrones, otras una pare/a muon8antimun Entodo caso, y a energ!as muy altas, el cociente Rdel n"mero de#adrones al n"mero de pares debe tender a una constante, que es la

suma de los cuadrados de las cargas de los cuars :i el n"mero decuars se triplica, tambi+n lo #ace el valor de esa constanteE)perimentalmente, el n"mero medido para energ!as cercanas a 2 GeIva de acuerdo con la teor!a del color y contradice el modelo incoloro deslo tres cuars, que era el original *onvendr!a aqu! #acer mencin deuna posibilidad diferente para los cuars, conocida como el modelo deHan y 'ambu En este modelo se supone que los cuars tienen cargael+ctrica entera, y por ello nos engaan y se ocultan .or otro lado, elpromedio de la carga sobre los tres colores ser!a el mismo que en elmodelo tradicional As!, el cuar uro/o y el verde tendr!an cargael+ctrica T1, pero el a$ul ser!a neutro3 el promedio de la carga sobrelos colores vale F2 an&logamente, el cuar dro/o y el verde tendr!ancarga nula pero el a$ul carga 813 el promedio de estas cargas, igual a812, ser!a otra ve$ el que introdu/o Gell8


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que #a llegado la f!sica de las part!culas elementales y su manera deproceder

:i descendemos #asta la escala de las part!culas elementales 10 81Mcm o aun menos, la materia se caracteri$a slo por unas cuantaspropiedades3 tenemos la masa ?o la energ!a, que es equivalente@, el

esp!n, la carga el+ctrica, la e)trae$a y otras cuantas caracter!sticasPal ve$ puedan e)istir algunas otras propiedades, pero en cualquiercaso no #abr!an muc#as m&s -as part!culas conocidas se dividen endos clases3 leptones y #adrones :in contar las correspondientesantipart!culas, conocemos seis leptones, tres de ellos cargadosnegativamente y tres neutros -os leptones cargados son id+nticosentre s!, a e)cepcin de su masa3 es F00 veces m&s pesado que elelectrn, y el taun lo es a"n m&s Hasta donde sabemos, los leptonesson elementales .or su parte, los #adrones son sistemas compuestos,que suponemos formados por cuars Estos "ltimos, a seme/an$a delos leptones, tambi+n ser!an elementales :in embargo, y a diferencia

de estos leptones, los cuars est&n dominados por la interaccinfuerte

-a interaccin fuerte distingue entre leptones y cuars Aqu+llos soncasi insensibles a la interaccin fuerte -os cuars act"an uno sobre elotro con las fuer$as electromagn+tica y fuerte, y con los leptonesmediante interacciones electromagn+ticas y d+biles %e nuestra#istoria, conocemos ya nueve tipos de cuars3 los u, d, s,cada uno entres colores A veces se dice que los cuars pueden venir en diferentessabores#u, d o s$y en diferentes colores *ombinando estos cuars deacuerdo a las reglas de la mec&nica cu&ntica vemos que podemosformar todos los #adrones bariones y mesones -os barionesconstan de combinaciones de tres cuars y los mesones de un cuar yun anticuar las part!culas observadas no tienen color %e un cuaraislado, ni su sombra

Esta era la situacin a mediados de los setentas, cuando los f!sicos devarias partes del mundo ec#aron a andar nuevos y potentesaceleradores, que les permit!an anali$ar procesos de mayor energ!a*on ellos pod!an medir el cociente R,ya mencionado, entre el n"merode #adrones y el n"mero de muones que se producen en una reaccindada, a energ!as cada ve$ m&s altas Da di/imos que cuando la energ!aes del orden de 2 GeI, Res mayor que la predic#a por el modelo

original de cuars :u valor, cercano a F, constituy uno de loselementos que primeramente comprob la teor!a del color A#ora sepodr!a medir Ra energ!as mayores En el acelerador de electrones de*ambridge, primero, y en el :.EAN de :tanford, despu+s, seobtuvieron valores de Rsuperiores a F3 a energ!as de #asta Q GeI elvalor de este cociente es un poco mayor que 5 :i #emos de sercongruentes, y si adem&s tomamos a los leptones pesados en cuenta,ello implica que los cuars deben tener m&s sabores


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El sentido est+tico de muc#os f!sicos famosos :#eldon Glas#o(, deHarvard, entre ellos, que los empu/a a buscar simetr!as ycoincidencias, #ab!a ya previsto tal aumento en el n"mero de cuars*uando, en 19OM, la familia de leptones constaba de tan slo cuatromiembros3 e, ve, , vo sea, antes del descubrimiento del tercerleptn pesado , Glas#o( y =/oren, f!sicos americanos, postularonun cuarto sabor para los cuars Encanto, le llamaron, contribuyendoas! a"n m&s a la graciosa nomenclatura de la f!sica de part!culas Elcuar encantado, que se denotar!a por c ?de charm, encanto eningl+s@, ser!a m&s pesado que los otros tres %ar!a origen a todo unnuevo con/unto de #adrones, los encantados, cuya masa ser!a mayor ala de aquellos ya conocidos -a propiedad del encanto, como veinteaos antes la de e)trae$a, se agregar!a a las escasas propiedades delas part!culas submicroscpicas D, al igual que la e)trae$a, in#ibir!a ladesintegracin de part!culas que contuvieran cuars encantados,#aciendo que duraran muc#o m&s

En noviembre de 19SM, en dos laboratorios norteamericanos, uno en lacosta este y otro en la oeste, se encontr una nueva part!cula Elgrupo de :tanford era capitaneado por =urton Nic#ter y el de=roo#aven por :amuel Ping, profesor del P Ping y suscolaboradores bombardeaban un blanco de berilio con protones cuandoobservaron que la produccin de pares electrn8positrn aumentabamuc#!simo a una energ!a cercana a los 2 GeI .or su parte, Nic#ter ysu grupo usaban un anillo de almacenamiento para medir elcociente R y encontraron grandes anomal!as en su valor para esasmismas energ!as Ambos grupos, casi simult&neamente, #ab!andescubierto una nueva part!cula, 1la llamaron en la costa este

y en la oeste que parec!a avenirse a un mesn formado por elcuar cunido al anticuar ,previsto die$ aos antes por Glas#o( y=/oren .ronto ?un par de semanas despu+s, y no slo en Estados;nidos sino tambi+n en la m&quina italiana*done@, se #allaron otrasresonancias [, [[,, que ser!an estados e)citados de, con lo que eldescubrimiento de la nueva propiedad, el encanto, comen$aba arefor$arse ;na ve$ m&s los alemanes llegaron tarde, y con su %4N>:ratificaron el descubrimiento Da que encontrar una nueva propiedadde la materia no es cosa de todos los d!as, =urton y Ping compartieronel premio 'obel en 19S5, solamente un ao despu+s de su brillantedescubrimiento, que lleg a ser conocido como Ula revolucin de

noviembreU.ero a"n #ay m&s El primero de mayo de 19SS, un numeroso equipode investigadores, cuyo l!der era -en -ederman, #oy director delermilab, descubr!a en este laboratorio una nueva part!cula, conocidacomo !psilon, y cuya masa era enorme3 10 veces la masa del protn.or ello, pod!a sospec#arse que su decaimiento fuera rapid!simo, puestendr!a una enorme variedad de estados, de todo color y sabor, endonde decaer El e)perimento mostr lo contrario3 la vida media de


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!psilon result anormalmente grande Esto significa que !psilon no sedesintegra en los #adrones de masa menor, todos ellos formados porcuars u, d, s y c-a conclusin fue inevitable, y se decret lae)istencia de un nuevo cuar, m&s pesado este nuevo cuar b, ligadoa su anticuar , ser!a el constituyente de !psilon y el quinto miembro

de la familia de los cuars1

:i la simetr!a entre esta familia y la de losleptones vuelve a operar, deber!a #aber un se)to cuar


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trata de englobar, como diferentes manifestaciones de un mismofenmeno, a algunas de las cuatro fuer$as que e)isten entre laspart!culas elementales

-a primera unificacin con +)ito se logr no como quer!a Einsteincuando intent unir la gravitacin con el electromagnetismo, sino con

la llamada teor!a electrod+bil, que unifica las fuer$as d+biles y laselectromagn+ticas Ieamos cmo ocurri esto

-as diferencias entre la fuer$a d+bil y la electromagn+tica son muc#om&s obvias que sus seme/an$as Hasta antes de 19S2, esto era aunm&s evidente3 se cre!a que la interaccin d+bil proced!a slo a trav+sde mensa/eros cargados Estos, a diferencia del fotn, son part!culasmuy masivas, lo que e)plica el cort!simo alcance de la fuer$a d+bil,que contrasta con las enormes distancias que el fotn virtual sin masapuede recorrer 4tra caracter!stica que distingue las dos fuer$as es sumagnitud, como ya #emos mencionado varias veces :in embargo, la

intensidad de la fuer$a d+bil crece con la energ!a m&s r&pidamente queel aumento de la interaccin electromagn+tica .odr!a ser que, aenerg!as muy altas, ambas fuer$as tuvieran id+ntica intensidad, o queincluso la d+bil fuera mayor que la electromagn+tica ser!a slo el muycorto alcance de la interaccin d+bil lo que #iciera su efecto menor queel de la electromagn+tica inalmente, las interacciones d+biles violanla paridad,1cosa que no #acen las otras fuer$as

A pesar de estas diferencias, #ay caracter!sticas importantes quecomparten ambas interacciones3 su universalidad, para empe$ar, y elcar&cter de sus mensa/eros, en segundo lugar En efecto, todas laspart!culas leptones y #adrones sufren estas fuer$as, lo que no

ocurre con la interaccin fuerte, que slo act"a sobre los #adrones -aotra seme/an$a importante es el car&cter del bosn mensa/ero de lainteraccin d+bil, cuyo momento angular es el del fotn3 ambos tienen

esp!n igual a por ello, se le llam el bosn vectorial intermedio

A pesar de lo anterior, muc#os f!sicos propusieron nuevas teor!as delcampo para unificar las interacciones d+biles y las electromagn+ticas#oy se les llama teor!as de campos de norma En ellas se supone unanueva simetr!a, inobservada, entre las fuer$as d+bil yelectromagn+tica -a teor!a electrod+bil que finalmente ec# ra!ces fuedesarrollada por :teven 7einberg, de Harvard, e independientemente

por Abdus :alam, f!sico paquistano, investigador del >mperial *ollegede -ondres y director del *entro >nternacional de !sica Perica, cuyasede est& en Prieste Ellos, en un sentido u otro, generali$aron eltraba/o que DangFy


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carga del electrn, pueden obtenerse resultados sorprendentes3 parael momento magn+tico del electrn, digamos, el n"mero que seobtiene tericamente es ?en las unidades apropiadas@ 1001159O552,mientras que el valor medido e)perimentalmente es 1001159O5SSPal concordancia entre ambos n"meros, #asta 9 cifras significativas, notiene precedente en la f!sica de todos los tiempos Peor!as de campocomo la electrodin&mica cu&ntica, donde se usan valores apropiadosde algunos par&metros simples como la masa y la carga, se llamanrenormali$ables

.ues bien, 7einberg y :alam encontraron la teor!a electrod+bilrenormali$able, con la cual pueden predecirse varios resultadose)perimentales .ara ello, sin embargo, debieron suponer que no #ab!auno, sino tres bosones vectoriales intermedios3 el cargadopositivamente, el -con carga negativa, y un tercero, la part!cula &4,que ser!a neutra Estos tres bosones, /unto con el fotn, ser!an losmensa/eros de las fuer$as electrod+biles

Aqu! encontramos el primer valladar que la teor!a de 7einberg y :alamdebi saltar 'o slo #abr!a interacciones d+biles con mediadorescargados ?como en el proceso d+bil por antonomasia, el decaimientodel neutrn, la desintegracin$,sino tambi+n e)istir!an los procesosd+biles neutros el+ctricamente %urante muc#os aos, estos procesosde corrientes d+biles neutras, como se les lleg a conocer, eludieron sudeteccin :in embargo, un grupo, formado por decenas deinvestigadores del *EN' en Ginebra, observ en 19S2 varios procesos,

como la colisin de

por electrones o el c#oque entre neutrinos yprotones, que slo pueden e)plicarse por el intercambio de &0 En

estos e)perimentos /ugaba un papel distinguido el f!sico italiano *arloNubbia, #oy en Harvard %ie$ aos despu+s, el mismo Nubbia empleun complicado detector para descubrir, en un bello e)perimento en quec#ocan un protn y un antiprotn, los bosones 5y &0 En uno decada cinco millones de c#oques entre protones y antiprotones en elacelerador del *EN', un cuar del protn se aniquila con un anticuardel antiprotn para dar origen luego al bosn vectorial intermedioEstos bosones pod!an identificarse plenamente con los requeridos porla teor!a electrod+bil, d&ndole as! una consistencia inusitada .or esetraba/o, Nubbia y el f!sico #oland+s :imon van der


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finalmente, entender el confinamiento de los cuars, el porqu+ son tanelusivos y por qu+ nunca los #emos podido ver libres

NOTAS

1-a conservacin de la paridad implica que en el universo no #aya

distincin entre i$quierda y derec#a3 al penetrar en un mundo espe/odel nuestro, donde i$quierda y derec#a se intercambien, las leyes de lanaturale$a permanecer&n invariantes En 195O, dos f!sicos c#inos, *' Dang y P % -ee, sugirieron, para e)plicar la e)traa desintegracindel mesn e)trao +, que la paridad pod!a violarse Al comprobarsee)perimentalmente sus ideas unos cuantos meses despu+s ?con eltraba/o reali$ado por una amiga de ambos, la doctora 7u, tambi+nc#ina de origen@, Dang y -ee se volvieron famosos y recibieron elpremio 'obel de f!sica en 195S A#ora sabemos que slo lasinteracciones d+biles violan la paridad

F*omo Gell8


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.ara la f!sica cl&sica, la del siglo V>V, tal apantallamiento de la cargael+ctrica era un fenmeno bien conocido :e conoce como polari$acindel medio y ocurre cuando una carga se coloca dentro de un material,como un diel+ctrico, que contiene tanto cargas positivas comonegativas El electrn que se #a introducido repele a las cargasnegativas y atrae a las positivas, polari$ando as! al medio El resultadode esta polari$acin es que, vista de le/os, la carga negativa delelectrn parece m&s pequea, se ve apantallada por las cargaspositivas que tienden a rodearlo .ara sentir la verdadera carga delelectrn, tendremos que acercarnos muc#o a +l, m&s all& de lapantalla Hasta aqu! la idea prevaleciente en la electrodin&mica cl&sica

:i seguimos la l!nea de pensamiento cl&sica, un electrn en el vac!o no#a de sufrir los efectos del apantallamiento El vac!o cl&sico es un marde tranquilidad, sin part!culas, cargas o energ!a .ero el principio deHeisenberg cambia radicalmente esta visin A medida queinspeccionamos un sistema el vac!o, en el caso que nos ocupa

durante tiempos cada ve$ m&s cortos, alteramos su energ!a, tanto m&scuanto menor sea ese tiempo de observacin D si a#ora agregamoslas ideas relativistas, seg"n las cuales masa y energ!a son la mismacosa, vemos que una fluctuacin en energ!a puede manifestarse comomasa3 las part!culas pueden llegar a materiali$arse de la nada durantetiempos cortos El vac!o ?cu&ntico8relativista@, pues, dista muc#o deser ese mar sereno que es el vac!o cl&sico En +l se crean y seaniquilan part!culas virtuales, que siempre vienen en pare/as part!cula8antipart!cula para conservar la carga y otras cantidades Esasfluctuaciones del vac!o ser!an tambi+n polari$ables por un electrne)terno que se agregara al vac!o, igual que se polari$ el mediodiel+ctrico que antes consideramos desde el punto de vista cl&sico Enconsecuencia, el vac!o se polari$a y la carga de un electrn aislado seve apantallada y decrece, en efecto, con la distancia Esta es unaconclusin ineludible si se unen las dos grandes revoluciones de laf!sica contempor&nea para crear la teor!a del campo electromagn+tico3la electrodin&mica cu&ntica El apantallamiento de la carga el+ctrica esuna de tantas consecuencias de esta teor!a que, como ya #emosmencionado varias veces, es la teor!a f!sica que mayores +)itos #atenido en la #istoria de la ciencia

Hablemos a#ora de los principios de simetr!a y su papel preponderanteen la f!sica moderna Podos tenemos una idea intuitiva de lo que es la

simetr!a y la asociamos, muc#as veces, con la belle$a ;n rostro#ermoso de mu/er es bello por sim+trico1y la enorme dignidad del.artenn descansa primordialmente en su simetr!a :i refle)ionamos,en nuestros e/emplos #emos apuntado a la simetr!a geom+trica3 lasimetr!a bilateral de un rostro armnico, o la simetr!a traslacional deltemplo griego con sus columnas dispuestas ordenadamente :irefle/amos en un espe/o el frontn de un templo cl&sico ?y #acemoscaso omiso del friso@, en nada lo afectamos si giramos una


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circunferencia, por cualquiera que sea el &ngulo, nada permite que nospercatemos de la rotacin -a simetr!a est& asociada, pues, a lainvariancia y a la conservacin

En la f!sica relativista el espacio se #a convertido en el espaciotiempo ycon la mec&nica cu&ntica #ace su advenimiento en la ciencia el

concepto de forma Al unir ambas teor!as, se generan conceptos comoel del esp!n y luego surgen, al estudiar las part!culas elementales, lacarga, el esp!n isotpico, la e)trae$a y el color 'o #a de asombrarnosentonces que la rique$a de las simetr!as sea a#ora muc#o m&s ampliaque aquella de la mera geometr!a espacial

En efecto, de la simetr!a frente a traslaciones en el tiempo surge laconservacin de la energ!a podemos rotar a#ora en el espacio y en eltiempo a la ve$, girando en el espaciotiempo, y nuestras ecuaciones no#an de alterarse podemos tambi+n cambiar en el espacio de lascargas o el del esp!n isotpico y, muc#as veces, todo permanecer!a

igual, como casi id+nticos resultan el protn y el neutrn 4 podemos irm&s all&, #aciendo transformaciones en espacios cada ve$ m&sabstractos y ale/ados de nuestra intuicin cotidiana E/emplo de esto"ltimo es la simetr!a S?2@, que llev a Gell8maginemos que,en cada punto del espaciotiempo, aquella caracter!stica del sistemaque alteramos se cambia de manera diferente :i la ley f!sica queanali$amos mantiene su valide$, se dice que tiene simetr!a local Aprimera vista, la simetr!a local es menos e)igente que la global pero,en verdad, es m&s dif!cil de lograr En particular, si #ablamos de unateor!a del campo y deseamos que +sta sea invariante frente a una

transformacin local, surge a fortioriuna interaccin, aunque al iniciono la #ayamos considerado En otras palabras, la fuer$a es algo nuevoy necesario en la teor!a Estas nuevas teor!as de campo con simetr!alocal teor!as de campo de norma, las llaman #oy los f!sicosimplican que las part!culas y sus interacciones est&n !ntimamenteligadas entre s! y que no pueden e)istir unas sin las otras

-os campos de norma tienen una #istoria ya antigua -a primera teor!ade campos de norma fue, de #ec#o, la electrodin&mica cl&sica que


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V En esta teor!a cl&sica sesupone que alrededor de una carga el+ctrica est&tica se genera uncampo el+ctrico, o tambi+n un volta/e o potencial el+ctrico ladiferencia de volta/e entre dos puntos cualesquiera del espacioproporciona el campo Al mover las cargas se engendra un campomagn+tico, que tambi+n puede obtenerse de un potencial, llamadopotencial magn+tico El potencial el+ctrico puede alterarse global olocalmente :i aumentamos el volta/e en la misma cantidad de voltiosen todo un laboratorio, nadie se entera, pues el campo el+ctrico nocambia .ero si alteramos el volta/e localmente, los #abitantes dellaboratorio s! sentir&n los cambios, a menos que tambi+n se altere, almismo tiempo y en el mismo punto, el potencial magn+tico en la formaprecisa que indica la teor!a de


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atraerse y quedar amarrados uno al otro3 tendr!amos algo as! como un&tomo de lu$ *on fotones cargados, nuestro mundo ser!a tan diferenteal que conocemos que ser!a dif!cil de imaginar %esde luego, estosfotones cargados no e)isten en la naturale$a

%esde un punto de vista matem&tico, por otro lado, para los campos

de Dang8


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NOTAS

1Aunque tambi+n llegamos a apreciar enormemente ese ligerorompimiento espont&neo de la simetr!a que representa un graciosolunar /unto a los o/os

F%e a#! el nombre Uinvariancia de normaU que usamos en


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Kue los bosones intermedios lleven cargas de color induce uncomportamiento raro en las interacciones fuertes y en la forma comocambia esta fuer$a con la distancia entre los cuars *omo en el casoel+ctrico, las cargas de color tambi+n se apantallan por la polari$acin

del vac!o3 se crean pares - virtuales y cualquier cuar que se

aadiere al vac!o los podr!a atraer o repeler .ero, adem&s, el cuaremite y reabsorbe gluones con carga de color Ello implica que la cargade color del cuar se desparrame a su alrededor, sirvi+ndole as! decamufla/e El resultado neto, que puede calcularse si se usa lacromodin&mica cu&ntica, es el siguiente3 a distancias cortas, menoresque en fermi, la interaccin fuerte se debilita y los cuars parecen serlibres pero a distancias grandes, la fuer$a crece y es dif!cil arrancar alos cuars *on ello la parado/a de los cuars empie$a a disolverse

En resumen, la cromodin&mica cu&ntica nos dice que los cuars sonasintticamente libres, a distancias muy cortas, pero que est&nsiempre confinados *on ello nos e)plica aquellos e)perimentos seg"n

los cuales parecer!a que el protn estuviera formado por tres cuarslibres, al mismo tiempo que entendemos por qu+ nunca #emos podidover un cuar libre

.ara intuir me/or este resultado de la cromodin&mica cu&ntica, teor!aen que se unen las ideas del color a las de los campos de norma y losconceptos cu&nticos con los relativistas, es "til recordar lo que yasabemos de la primera y de la segunda espectroscop!as .ara arrancarun electrn de un &tomo, es necesario darle una energ!a que escercana a las decenas de electrn8voltios .or su parte, el amarre deun protn en el n"cleo se rompe si a +ste le impartimos una energ!a

equivalente a unos cuantos millones de eI En ambos casos, la energ!anecesaria para liberar los constituyentes del sistema es muc#o menorque la energ!a en reposo es decir, la masa de la part!cula que #ade arrancarse As!, la masa del electrn es del orden de medio millnde eI, y la de un nuclen es un poco mayor que 900


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neutrones para formar n"cleos, es seme/ante a la fuer$a que une a dosmol+culas, que son con/untos de &tomos Estos "ltimos act"an unosobre el otro por medio de la fuer$a electromagn+tica que liga loselectrones al n"cleo, y cuando una mol+cula se #alla frente a otra sloresta un p&lido recuerdo de esta fuer$a %e manera seme/ante, unprotn y un neutrn ser!an mol+culas de cuars ligados por lainteraccin fuerte3 la fuer$a nuclear entre protones y neutrones es elrecuerdo de la fuer$a de color que los cuars se e/ercen

*on la teor!a electrod+bil y la cromodin&mica cu&ntica, ambas teor!asdel campo de norma, #emos avan$ado enormemente en nuestracomprensin del mundo de las part!culas elementales *ontamos yacon un marco conceptual unificado de las fuer$as electromagn+ticas yde las interacciones d+biles, as! como con una teor!a de las fuer$asnucleares :ospec#amos que los leptones y los cuars son realmenteelementales y podr!an, por lo tanto, ser esos &tomos que el #ombre #abuscado desde la AntigZedad JKu+ m&s nos queda por #acerL

X X . L A G R A N U N I F I C A C I N

AL MIRAR, con un de/o de sarcasmo y una buena dosis de escepticismo,lo que #a progresado la #umanidad en veintitantos siglos depreocuparse por los &tomos, tal ve$ dir!amos que muc#o no #emosavan$ado En la teor!a de las part!culas elementales, tal y como la#emos e)puesto #asta aqu!, intervienen al menos 2M persona/es3quince cuars ?de cinco sabores y tres colores@ y seis leptones, quefungir!an como U&tomosU los doce portadores de las fuer$as, entreellos los oc#o gluones que acarrean la interaccin fuerte, el fotnelectromagn+tico y los tres bosones vectoriales intermedios que llevanel mensa/e de la fuer$a d+bil y finalmente, el bosn de Higgs quepuebla el vac!o y que nos permite renormali$ar las teor!as de campo denorma *on un poco de cinismo, bien podr!a pensarse que el avancesobre la imagen griega de la materia, con sus cuatro elementos tierra, aire, agua y fuego, #a sido magro en verdad Aunque lo"ltimo es evidentemente falso, no de/amos de sentir un gusanillo porsaber m&s, por llevar la unificacin de nuestros conceptos un paso m&sall& Esto es precisamente lo que #an #ec#o los f!sicos en los "ltimosaos

J*u&les preguntas quedar!an sin respuesta satisfactoria si noscontent&ramos con la teor!a electrod+bil y la cromodin&mica cu&nticaL


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JE)iste, en realidad, el bosn de Higgs, y cu&l ser!a su masaL J*motomar en cuenta a la gravedad en todo lo anteriorL J.odemose)plicarnos que en la vecindad de nuestro mundo #ayapreponderantemente materia, a pesar de que nada rompa la simetr!ade +sta con la antimateriaL

-as respuestas a algunas de estas preguntas podr!an, tal ve$,esbo$arse #oy con lo que llamamos la gran unificacin En tal teor!a sebusca englobar dentro del mismo marco terico a las interaccionesfuertes y d+biles con las electromagn+ticas Hasta el momento, lagravitacin no #a podido unificarse con las otras tres fuer$as El sueode Einstein no se #a convertido a"n en realidad

Iarios #ec#os inducen a pensar en una gran teor!a unificada Penemos,por un lado, las seme/an$as entre cuars y leptones Ambos tipos depart!culas aparentan ser elementales ambas son fermiones y tienen

un esp!n igual a F Aunque el cuar tiene carga de color y los

leptones no, las dos familias est&n cargadas el+ctricamente y resientenla interaccin d+bil Adem&s, la carga el+ctrica de los cuars est&relacionada con la del electrn de una manera relativamente simple y,en todo caso, muy espec!fica

.or su parte, las tres interacciones presentan ciertas caracter!sticasque sugieren una posible unificacin Da di/imos que las tres fuer$aspueden describirse por un campo de norma, con sus apantallamientosy camufla/es -a carga el+ctrica crece a distancias menores, es decir, amayores energ!as en contraposicin, la carga de color se debilita alanali$ar procesos de m&s alta energ!a .odr!a ser, Jpor qu+ noL, que aenerg!as alt!simas, todas las interacciones tuvieran la mismaintensidad

:i recordamos la #istoria de las diversas teor!as de campos de norma,nos damos cuenta de su !ntima cone)in con las simetr!as din&micasde la naturale$a, y de a#! con la rama de las matem&ticas conocidacomo teor!a de grupos .ara unificar las tres fuer$as, necesitar!amosconstruir un campo de norma basado en una simetr!a local mayor, queincluya tanto la de la teor!a electrod+bil como la de la cromodin&micacu&ntica Esto se #a #ec#o con grupos como el S?5@, el grupo detransformaciones unitarias en 5 dimensiones, aunque e)isten muc#asotras estructuras matem&ticas posibles En todos los casos, surgen

bosones intermedios que llevar!an la interaccin de unas part!culas aotras3 los cuars podr!an transformarse en otros cuars, los leptones asu ve$ en otros leptones, pero tambi+n #abr!a transformaciones decuars a leptones y viceversa %e aqu! obtenemos una conclusinvalida en cualquier teor!a que unificara las tres fuer$as3 el protn, pore/emplo, ser!a inestable y dar!a lugar a un antileptn ?como unpositrn@ y a un mesn ?como el T@, entre otros modos dedecaimiento


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%iversas teor!as unificadas predicen vidas medias distintas para elprotn, aunque todas ellas son largu!simas, 10 21aos o m&s %e#ec#o, sabemos que la velocidad de decaimiento no podr!a ser muygrande, pues entonces nuestro propio cuerpo se daar!a con laradiacin resultante .ara detectar una vida media tan larga como ladel protn, es necesario contar con muc#!simos de ellos, 10 22o m&sEsto puede lograrse si anali$amos con cuidado lo que ocurre en untanque de agua suficientemente grande .ara evitar confusiones, esme/or ocultar el recipiente y aislarlo #asta donde sea posible de losrayos csmicos .or ello estas mediciones se reali$an llenando grandesrecipientes de agua y coloc&ndolos en minas profundas o en t"nelescomo el del V fueron cruciales lateor!a cin+tica de los gases y el esclarecimiento de muc#os fenmenosel+ctricos y magn+ticos al inicio del presente siglo, el estudio del

&tomo nos condu/o a un nuevo esquema f!sico, la mec&nica cu&ntica, ydesde los treintas la f!sica nuclear #i$o aparecer en escena dos nuevasfuer$as y todo un c"mulo de part!culas elementales Ello sigue siendov&lido #oy3 as!, la f!sica nuclear interviene todav!a cuando sebombardean n"cleos pesados con muones y surge la posibilidad de verel cuar, libre en apariencia mientras no intente birlar suconfinamiento y la f!sica de la materia condensada contribuye demanera radical, pues entre otras cosas el entender lasuperconductividad #a permitido e)perimentos como el de *abrera donde se persegu!a a otra gran ilusin de la f!sica moderna, elmonopolo magn+tico y #a sido indispensable para disear nuevos ym&s potentes aceleradores, como el Pevatrn de ermilab o el m&s

grande ::* que #oy se disputan tantos laboratorios norteamericanosD, por solo mencionar un campo a primera vista tan a/eno al estudio dela f!sica de altas energ!as, es #oy clara la relacin entre las transicionesde fase y la teor!a de las part!culas elementales *on ello tal ve$podamos entender en un futuro pr)imo cmo surgen las cuatrointeracciones la fuerte, la electromagn+tica, la d+bil y la gravitacional de una sola fuer$a, que podr!amos llamar la fuer$a ultra8unificadora


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Kui$& eso nos lleve a comprender la evolucin del ;niverso despu+s dela Gran E)plosin

Hoy, a finales de 19QO, creemos que la materia est& #ec#a de seiscuars y seis leptones que interact"an por medio de esas cuatrofuer$as :on estos cuars y leptones los me/ores candidatos que la

f!sica moderna puede ofrecer para reempla$ar a los &tomos de%emcrito Aunque estos constituyentes b&sicos de la materia tienen

todo tipo de caracter!sticas masa, esp!n /2 y muc#as otraspropiedades f!sicas #asta donde #emos averiguado son puntuales,sin estructura interna, en verdad elementales

En cuanto a las fuer$as, la #istoria de la f!sica desde 'e(ton es la#istoria de la unificacin de las fuer$as Pal ve$ el logro mayor de'e(ton, e)puesto magistralmente en el libro >>> de sus rincipia"athematica,#aya sido identificar la fuer$a que #ace caer la man$anaen la tierra con aquella que #ace girar a +sta alrededor del :ol D, que

duda cabe, la s!ntesis que


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sobrevivan ser&n los que pasen la dura prueba del e)perimento .araello parece indispensable construir aceleradores, como el ::*, m&spotentes que los actuales

*on ellos, el sueo de Einstein tal ve$ se #aga realidad .or ello, losf!sicos contin"an buscando

H I S T O R I A G R F I C A D E L O SA C E L E R A D O R E S D E P A R T C U L A S .

En el -aboratorio *avendis# de la ;niversidad de *ambridge, *occroft

y 7alton construyeron este acelerador de 500 ilovolts en 192F

-a versin moderna de un acelerador *occroft87alton se usa #oy enel ermilab como un preacelerador


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El acelerador de FS


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uente de iones del acelerador de 55 nstituto de !sica de la ;'A


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-aboratorio del acelerador Pandem Ian de Graaff del *entro 'uclear'acional en :ala$ar, Estado de


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El cosmotrn de 2 GeI de los -aboratorios 'acionales de =roo#avenen 'ueva Dor -a fotograf!a data de 195M

El sincrotn de protones de FQ GeI del *EN' en Ginebra Esteacelerador oper por primera ve$ en 1959


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El acelerador lineal de :tanford, que tiene una longitud de 2FYilmetros, puede producir electrones y protones de energ!a muy alta

En la parte derec#a inferior de la fotograf!a se ve un anillo dealmacenamiento, el :.EAN, que tiene unos S5 metros de di&metro

;na de las &res e)perimentales del :-A*, el acelerador lineal de:tanford Aqu! se ve uno de los grandes espectrmetros magn+ticos


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Iista aerea del acelerador Pevatrn de ermilab, primera m&quinasuperconductora que entr en operacion Este es #oy el acelerador de

m&s alta energ!a en el mundo

El tunel del acelerador Pevatrn de ermilab, uno de los laboratoriosnacionales de Estados ;nidos, tiene una circunferencia de O2Yilmetros En la fotograf!a se ven los imanes superconductores quepermiten desviar el #a$ de protones


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Gr&fica de -ivingston, en la que se muestra como #an crecido demanera e)ponencial los aceleradores de part!culas entre 1920 y 19Q0

C O N T R A P O R T A D A

UEl relato que sigue nos dice el doctor Borge lores Iald+s al referirseal contenido de 7a gran ilusi8n. -os cuars es, como gran parte delas investigaciones en el campo de la f!sica, una #istoria de aventuras,el relato de la b"squeda reciente del verdadero &tomo, aquelrealmente indivisible3 el cuar En el .rlogo en el *ielo del 9austo,Goet#e #ace que


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informes que constituir!an el fuego y rugosos los de la tierra, esoe)plicar!a, seg"n el griego, sus diferentes propiedades

la física cuántica y relativista

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