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Espín o momento Angular

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (5)

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No pocas veces, cuando habeis oido hablar de temas de Física, la palabra espín habrá surgido con cierta frecuencia y, algunos de ustedes os habréis preguntado (seguramente), ¿qué es eso del espín? y, aunque sea de pasada, dejaré aquí una explicación sencilla del mismo.

Una curiosa propiedad de las partículas  pequeñas que se recoge en el Modelo Estándar divididas en tres familias, es que pueden totar alrededor de un eje mediante el mecanismo que llamamos espín. El Espín  (o, com más precisión, el momento angular, que es aproximadamente la masa por el radio por la velocidad de rotación) se puede medir como un  múltiplo de la constante de Planck dividido por 2π. Medido en esta unidad y de acuerdo con la mecánica cuántica, el espín de cualquier objeto tiene que ser o un entero o un entero más un medio. El espín total de cada tipo de partículas -aunque no la dirección del mismo- es fijo.

Si nos referimos al electrón, por ejemplo, tiene espín ½. Esto lo descubrieron dos estudiantes holandeses. Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck, que escribieron sus tesis conjuntamente sobre dicho problema allá por el año 1972. Fue una idea audaz que partículas tan pequeñas como los electrones pudieran tener espín y, de hecho, bastante grande. Claro que, al principio, la idea fue recibida con excepticimos porque la “superficie del electrón” se tendría que mover con una velocidad 137 veces mayor que la de la luz. Hoy en día, tales objeciones son simplemente ignoradas porque no existe tal superficie en el electrón.

De todas las cantidades físicas la conocida como espín se suele considerar como la más “mecano-cuántica”. La palabra espín viene del inglés “spin”, que significa giro o girar, y se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tienen un momento angular intrínseco de valor fijo. Es una característica propia de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica, y una magnitud que se conserva como lo hace la energía o el momento lineal.

 

 

 

De todas las cantidades físicas la conocida como espín se suele considerar como la más “mecano-cuántica”. La palabra espín viene del inglés “spin”, que significa giro o girar, y se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Es una característica propia de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica, y una magnitud que se conserva como lo hace la energía o el momento lineal.

Para un electrón, protón o neutron la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ). Precisamente por eso esta cantidad de momento angular no estaría permitida para un objeto compuesto por cierto número de partículas orbitando sin que ninguna de ellas estuviese girando sobre sí misma. El espín sólo puede aparecer debido a que es una propiedad intrínseca de la propia partícula, es decir, que no surge del movimiento orbital de sus partes en torno a su centro.

A diferencia de lo que ocurre con el momento angular de los objetos macroscópicos, a los que estamos acostumbrados, que puede tomar valores muy variados dependiendo de las acciones a las que se vean sujetos, la magnitud del espín de una partícula es siempre la misma para este tipo concreto de partícula. Es únicamente la dirección del eje de giro la que puede variar, aunque de una manera muy extraña.

Para un electrón, protón o neutron la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ). Precisamente por eso esta cantidad de momento angular no estaría permitida para un objeto compuesto por cierto número de partículas orbitando sin que ninguna de ellas estuviese girando sobre sí misma. El espín sólo puede aparecer debido a que es una propiedad intrínseca de la propia partícula, es decir, que no surge del movimiento orbital de sus partes en torno a su centro.

Una partícula que, como el electrón, tiene un espín múltiplo impar de ħ/2 (ħ/2, 3ħ/3, 5ħ/2, etc) se llama fermión, y presenta una curiosa rareza: una rotación completa de 360º transforma su vector de estado no en sí mismo sino en el valor negativo de sí mismo; necesitaría por tanto de un giro de 720º para quedarse igual que antes del giro. La mayoría de las partículas de la Naturaleza son fermiones, las partículas restantes para las que el espín es un múltiplo entero de ħ (ħ, 2ħ, 3ħ, 4ħ, etc) se llaman bosones. Bajo una rotación de 360º el vector de estado de un bosón vuelve a sí mismo, y no a su negativo.

 

 

 

Hablemos de pasada de la esfera de Riemann que juega un papel fundamental en cualquier sistema cuántico de dos estados, describiendo el conjunto de estados cuánticos posibles. Para una partícula de espín 1/2, su papel geométrico es particularmente evidente puesto que los puntos de la esfera corresponden a las posibles direcciones espaciales para el eje de giro. En otras situaciones el papel de la esfera de posibilidades de Riemann está bastante más oculto, con una relación mucho menos clara con la geometría espacial.

El extraño giro de 720º del electrón para quedarse igual es toda una paradoja. En muchas ocasiones nos parece que la mecánica cuántica presenta fenómenos completamente fuera de toda lógica, pero al analizar infinidad de situaciones completamente normales para nosotros a la luz de esta asombrosa teoría observamos que sin ella no tienen explicación. La propia cohesión de la materia, tal como la conocemos, o la existencia de las cuatro fuerzas fundamentalesno tendrían sentido. En este último caso en sus fundamentos, paradojicamente, se encuentra el propio principio de incertidumbre. Un principio “engorroso” que parece que sólo sirve para impedirnos medir con infinita exactitud.

 

 

Los fotones y los neutrinos , al ser partículas sin masa, comparten la propierdad de que su eje de rotación es siempre paralelo a la dirección del movimiento , mientras que otras partículas rotan en direcciones arbitrarias.Siempre será difícil describir el espín con palabras sencillas. La mecánica cuántica hace imposible definir con precisión la dirección del eje de rotación, excepto para los dos casos mencionados. Sin embargo, para objetos grandes que rotan con velocidades altas, la dirección de rotación puede tener un significado más preciso (un púlsar por ejemplo).

Pero hablemos un poco de las partículas que tienebn espín entero, llamamdos “Bosones” y, de las que tienen espín entero más un medio que se llaman”Fermiones”. Cimprobados los valores del espín en una Tabla se puede comprobar que los “Leptones” y los “Bariones” son fermiones, y que mos “mesones y los fotones” son Bosones. En muchos aspectos, los fermiones se comportan de manera diferente de los bosones. Los fermiones tienen la propiedad de que cada uno de ellos requiere su propio espacio: dos fermiones del mismo tipo no pueden estar en el mismo punto, y sus movimientos ewstán regidos por ecuciones tales que se evitan los unos a los otros. De hecho, la fuerza entre fermiones pueden ser atractivas o repulsivas. El fenómeno por el cual cadqa fermión tiene que estar en un “estado” diferente se conoce como Principio de esclusión de Pauli. Cada átomo está rodeado por una nube de electrones, que que son fermiones (espín ½). Si dos átomos se aproximan entre sí, los electrones se mueven de tal manera que las dos nubes se evitan una a otra. dando como resultado una fuerza repulsiva. En nuestras vidas cotidianas tenemos un ejemplo casi a diairio cuando por cualquier circunstancias batidos las palmas de las manos, la capa electrónica ervita que las manos se introduzcan la una dentro de la otra traspasándose, y, de la misma manera ocurre cuando apoyamos con fuerza la palma de la mano en la pared haceindo presión, la capa electrónica de la mano y de la pared, impide que la mano la pueda atravesar.

stardeath

Es curioso como este fenómeno de los fermiones que llamamos Principio de Exclusión de Pauli, incide de manera directa en el destino de algunas estrellas: Cuando una estrella como nuestro Sol, por ejemplo, llega a su fase final y de gigante roja comienza a contraerse por la fuerza de la gravedad, una vez liberada de la fuerza de repulsión que la mantenía a raya, la gravedad contrae más y más la masa de la estrellas pero, al llegar a cierto punto, los electrones se ven tan juntos que se sienten muy incómodos ya que, al ser fermiones, no pueden ocupar ninguno de ellos el mismo lugar de otro, así que, se degeneran y comienzan a moverse con velocidad alucinantes, y, tal actividad es más que sificiente para que la contracción de la estrella se frene y, de esa manera, queda finalmente constituida como estrella anana blanca. Si la masa de la estrella original es mayor que la del Sol, en el mismo proceso y por las mismas causas, al ser aprisionadas las particulas de la estrella que conforman su materia, es decir, protones y neutrones junto a los electrones, lo primero que ocurre es que, los electrones y los protones se funden y forman neutrones que, al ser presionados a juntarse, se degeneran como antes lo hicieron los electrones, y, frenan la implosión de la estrella que queda constituida como una estrella de Neutrones.

 

 

En contraste con el característico individualismo de los fermiones, los bosones sde comportan colectivamente y les gusta colocarse a todos en el mismo lugar.  Un láser, por ejemplo, produce un haz de luz en el cual muchísimos fotones llevan la misma longitud de onda y dirección de movimiento. Esto es posible porque los fotones son bosones y tienen espín entero.

 

 

 

 

Hay otra regla de juego que nuestra familia de partículas elementales debe obedecer: cada partícula tiene su correspondiente antipartículas. Las partículas tienen el mismo espín y exactamente la misma masa que sus antipartículas, pero las cargas eléctricas, igual que los números llamados S, I3, L y B, son todas opuestas.

Aunque pueda parecer sencillo, el lidiar con estas tres familias de partículas que son, enn realidad las que conforman todo lo que existe en el mundo (entendiéndose por el mundo el universo entero), no es fácil y de ellas, surgen muchas implicaciones, algunas que no hemos podido llegar a entender aunque, en honor a la verdad tendremos que decir que, en lo más básico, podemos formular hipótesis y teorías que las implican y que están acordes con la realidad observada en el laboratorio experimental. Sin embargo, muchos son, todavíoa, los secretos que nos esconden y al que nuestro intelecto no ha podido llegar aún. Sin embargo, si nos dan más tiempo, todo llegará.

Y, a todo esto, no debemos olvidar que, aparte de las propiedades que dichas partículas pueden tener de manera indivisual, todas tienen que convivir con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza que, de alguna manera, inciden en ellas de mil maneras diferentes.

Toda la materia del Universo, nosotros también, supeditamos nuestros comportamientos a lo que rige la norma que estable esatas cuatro fuerzas fundamentales del Universo que, junto con las constantes universales, hacen de nuestro universo lo que es y permite, que la vida esté presente para observar todas estas maravillas.

emilio silvera

 

  1. 1
    Tom Wood
    el 14 de junio del 2012 a las 14:27

     ¡Dios mío, excelente, excelente, excelente,…!  Eso es física,… decir lo que hay, y se entiende; y decir lo que hay, pero que las explicaciones no nos convencen, o no están explicadas. Y como el ser humano es testarudamente científico, le encontrara explicaciones a todo lo que no le gusta como esta explicado. Pensar lo contrario, es desconocer la naturaleza humana y la equilibrada naturaleza que lo rodea. Sino la historia de la madre de la ciencias, la físicas, se acabó; y con ella la ciencia y la filosofía.
    Casualmente te tenia un escrito para otro articulo que me encanto, algo que ahora descubro que se relaciona mas con este escrito, pura telepatía. De paso, es que estas disparando en ráfaga y las personas no les da tiempo digerir tu fecundidad literaria. Ya lo encontré, era este:
    http://www.emiliosilveravazquez.com/blog/2012/06/10/los-misterios-de-la-mecanica-cuantica-%c2%bflos-desvelaremos-alguna-vez-2/
    No hablo de mí,… sino que hay que ponerse en el pellejo ajeno. En el de un padre, que use tu blog, para disfrutarlo con sus hijos.
    Y en el te explicaba la masa, la fuerza de masa o la masa inercial [todavía no se como llamarle, recuerda, no hay antecedentes y por tanto tampoco jerga. Lo que me complica la explicación, se hace difícil entender lo que yo si veo; pero las ideas generales, si creo que son entendibles por alguien con ideas físicas]; a través del momento angular de la topología de confinación, en su relación con mis ideas.
    Después, me arrepentí, por los pillos, ya que casi te revelaba la topología de confinación de los fotones electromagnéticos; aunque registre a tu nombre el comentario. Es que quiero ganar tiempo anotando todo mis rutas, mis errores, autocontemplar mi propio proceso cognitivo. Además, de no apurarme para ver si puedo formularlo todo desde un forma que se entiesa, desde conocimientos mas básicos. Ya te hable de eso. Se que al final eso no es posible del todo, pero quiero crear bases semiclasicas, para que en el futuro la física súperabstracta que esta implícita en el modelo, que es su misma esencia natural; no la haga física exclusiva de unos pocos iluminados. Al menos que se logre ese nivel de entendimiento de lo que se entiende y no se entiende; al menos así de sencillo, como lo que acabas de exponer.
    Lo de las rotaciones angulares, de los momentos intrínsicos (la palabra intrínsico sobra en mi modelo, el no lo ve desde afuera, como la quántica, que complicado hacerme entender, sin revelar) de los fermiones (720 grados) y los bosones (360 grados); tiene una fácil explicación; desde la topología de circulación de lo que decidí llamar fotones electromagnéticos. Les digo fotones electromagnéticos, porque sencillamente eso es lo que emite y absorbed una energíamasa. Claro, después allí adentro, confinados, lo que uno conoce o describe son casi las propiedades trasformadas que tenían esos fotones electromagnéticos libres; las propiedades que mencionas de los fermiones y bosones. La 7ma física nos dirá que son en realidad. Pero si me meto para lo hondo, me enredo y no ventilo el derrotero; el único objetivo que en realidad ambiciono, lo demás sale de carambola, no de ningún interés protagónico, o ego personal. Te explico (para ser honesto), una ves que determine la topología de confinación fermionica (solo del electrón y positrón), como no tengo tiempo para detenerme, solo mire como deberá ser el de las partículas masivas neutras y no la he definido. Lo mismo pasa con los quarks, o los bosones masivos, los deje pending, porque creo entender que pasa con ellos. Eso no será trabajoso para ningún iluminado, si ya antes te pusieron un ejemplo parecido. Es más importante, para la confusa etapa actual, para la física moderna, que se tracen aunque sea de forma tosca, los nuevos postulados que regirán el 6to paradigma. Un iluminado, le sacaría toda la lasca a un tema; pero la contradicción, lo paradójico es que para imaginar que hay dentro de una energíamasa, al parecer se necesitan mentes no iluminadas como la mía. Por más que busco, solo encuentro modelos de propiedades aisladas, que las partículas en la naturaleza las portan juntas. Esa es la física moderna, no hay ningún intento tan ambicioso, que trate de meter todo lo que portan y que se ajuste a su lógica desde lo natural.

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  2. 2
    Tom Wood
    el 14 de junio del 2012 a las 14:39

    Creo que la ruta en los siglos que están por venir y hasta donde me alcanza la vista es esta:
    El modelo de la interacción Luz-Luz, el 6to paradigma (la 6ta física), se basa en explicar, que tienen las energíasmasas elementales (electrón,…) adentro; y como al seguir el modelo, he llegado a la conclusión, de que son energíascampos. Es decir, se acabo la eterna y antigua pregunta: ¿Que otra partícula, hay dentro de la ultima que llamamos elementar? Entonce, el 7mo paradigma (la 7ma física), seria determinar que tiene, como funcionan las energíascampos (la luz,…) en sus esencias internas. De aquí infiero, que el 8vo paradigma (la 8va física), tendría que ser, explicar que cosa es la energía en su escénica interna. Pero no me hagan mucho caso, estos son cosas que lleva tiempo digerir. Se acabo el tiempo,…
    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/06/08/la-medida-de-opera-de-mayo-de-2012-de-la-velocidad-de-los-neutrinos-mu/#comment-18577
    http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/06/07/7052/#comment-5214
    http://circuloesceptico.com.ar/2012/06/la-diferencia-entre-antimateria-materia-oscura-y-energia-oscura/#comment-2232
    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/06/14/con-los-gps-en-el-frigorifico-para-medir-la-velocidad-de-los-neutrinos-en-minos/#comment-18646
     
    Ya he explicado, que a las cinco física, si analizamos sus amarres iniciales, no se les puede pedir que nos digan mas, de lo que nos dicen. Para mi es increíble lo que nos dicen, en los mismos limites para los que no fueron creada, es impresionante lo que hacen, hay que estar conformes y agradecidos.
    Para mí el vacío quántico, es un error de interpretación que se le hace a la didáctica físico-matemática. Vacío, con lógica literal solo hay uno; aquí van argumentar, que no entiendo a que se refieren con vacío quántico,… se lo que dicen muy bien, ellos son los que no saben interpretar los que les esta diciendo la limitada MC, por eso lo llaman vacío quántico; porque suponen energía de la nada. Y son solo energíascampos (bien reales), que para no quedar en reposo, se convierten en energíasmasas y viceversa. Es una realidad física, bien natural, bien normal. No se por que a mi ningún fenómeno quántico me resulta anormal o extraño. Para mi extrañas son las interpretaciones que le dan ha esos fenómenos reales, los físicos, al analizar lo que les quiere decir, en los limites actuales, las cinco físicas reconocidas. Algo que también percibo como normal y transitorio, algo acorde con nuestros niveles de desarrollo científico. Y eso no lo creo, solo al por analizar las historias de otras épocas físicas semejantes; sino, al conocer la naturaleza inconforme de los humanos. Si alguien cree que los humanos se van ha conformar con esas medias explicaciones; realmente no conocen a los humanos. No se como, ni cuándo; pero si estoy seguro de que lograran explicar todo de forma sencilla y clara.
    Las transformaciones físicas que ellos interpretan como un vacío quántico, en la realidad, solo ocurren bajo determinadas condiciones reales, así que no tiene nada de especial. Un intenso campo que satura el espaciotiempo con energía y como la energía no puede existir en reposo, no le queda otro remedio que confinarse en energíamasa. Es como si a la energíascampos no les quedara más remedio, que “inventarse” una topología especial, para continuar moviéndose en espacio y tiempo. Ahora, la energía sigue moviéndose en esa topología, conserva de cierta forma casi todas las propiedades que portaba; claro, imposible que de idéntica forma. No hay que pensar mucho, o saber su topología de confinación,  para darnos cuenta que al pasar a ser otro ente, las viejas propiedades no pueden ser exactamente idénticas al ente anterior. Conserva sus propiedades eléctricas y  magnéticas. Pero al ser posible la confinación de los fotones electromagnéticos, (tal vez, neutrinicos, gravitatorios); surgen nuevas propiedades; como tiempo de vida de esas topologías (estables, como los de los electrones y protones. He inestables como las de los demás leptones y hadrones), carga eléctrica, el spin y en especial la masa.
     

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  3. 3
    Tom Wood
    el 14 de junio del 2012 a las 14:43

    ¿Qué tiene la masa adentro en mi modelo?  Tengo buenas explicaciones y no necesariamente usando el omnipresente y a la vez fantasmagórico campo de Higgs.
     
    Te lo resumo enredadito, para confundir a los iluminados,… para que no me creas demagogo. Aunque ellos sin mi tosca topología de confinación, poco pueden hacer. La masa es el momento angulas mecánico (parecido al memento de inercia), que queda, de la topología de circulación de los fotones electromagnéticos, después de su interferencia destructiva. Por eso sentimos una fuerza de masa, una resistencia antes que logremos sacar una masa de su estado de reposo o de su MRU. Es parecido a la misma fuerza que sentimos cuando hacemos rotar una rueda de bicicleta, tomada en nuestras manos por el eje y después queremos voltearla. Ese es el mismo efecto, que nos da la sensación de masa. [En mi modelo, al solo existir energías campos y energíascampos confinadas (energíasmasas); no puede existir esa sensación de masa tangible, que se adquiere de las cinco físicas actuales, al poder modelarse, por razones conocidas, la masa concentrada en un punto y después al aparecer la física del micromundo, la  renormalizacion que nos salvo de la parálisis. Pero como otra vez estamos en los limites, ya la física experimental le esta empezando a quedar grande a la renormalizacion salvadora; pero transitoria como todos sabían desde entonces, por su falta de lógica física, Que aunque no tenga relación con ninguna realidad natural, si ha sido un buen paliativo emergente desde la física-matemática.] Esa es la única explicación posible, a que una hoja de papel en el vacío gravitatorio y una tonelada de plomo; caigan con igual aceleración; tengan la misma “g”. Lo mismo que todas las partículas tienen la misma carga independiente de su masa, también tienen la misma “g” [en el único vacío posible]  independiente de su masa. Pero macroscópicamente, a mas masa, mas inercia. Por eso se dice que la masa, es como la medida de la inercia de un cuerpo. Gravitatoriamente, un cuerpo tiene que sentir la presencia de otro, para quitarnos de arriba, la útil acción a distancia que se invento Newton, la corrección que se tuvo que saltar para avanzar; y darle sentido de campo [como la electrodinámica]; como la relatividad de Einstein. Un cuerpo va sentir la presencia de otro en la distancia,  solo si las energíasmasas elementales (partículas) pueden cumplir con dos posibles topologías de confinación, o dos condiciones de circulación de sus energíascampos confinadas. Cualquier otra condición topológica, aun exigiéndole campos a las energíasmasas, cada una siente el campo de la otra, pero no sienten que la otra existe. Es como si yo te mando un fotón desde la luna y tú me mandas otro desde la tierra, pero no retornas lo mandado. Por lo que desaparece de la naturaleza, el movimiento de un cuerpo macroscopio o microscópico alrededor del otro. Y eso no es lo que se observa en la realidad de este mundo. No sigo por lo que te explique, de lo pillos y porque todavía no se explicarlo, y casi ni explicármelo, pero por ahí va el modelo.
     
     
     
     
     
     
     
     

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  4. 4
    emilio silvera
    el 14 de junio del 2012 a las 15:39

    Amigo Tom:
    Siempre resulta agradable “tenerte” por aquí y tu “presencia”, sirve de incentivo para continuar con esta aventura de la ciencia que, en realción a la física, cada vez estoy más convencido de que será la que nos de la llave para solucionar muchos de los problemas del mundo. No sólo en Física, sino que, también en otras disciplinas será la física la aclare e4l panorama, toda vez que, si te fijas bien, ¿que no es física?
    Creo que hacer muy bien en no confiar y, cuando te lances a desplegar “tu modelo”, debes hacerlo con sumo cuidado, esbozando algunas ideas pero sin terminar de exponerlas al completo, dejando siempre en la oscuridad aquellos puntos esenciales que pudieran determinar que, “algunos pillos” (que son muchos), puedan entresacar consecuencias y apropiarse ideas que no sabemos si serían bien utilizadas y en la debida forma.
    Eres tú, el que has trabajado y lo sigues haciendo con una serie de conceptos que tratas de colocar en su justo lugar para que, al final, surja el Modelo que llevas en la Mente y que, poco a poco, tratas de construir. Cuando te oigo (te leo) exponer tu tesis con ese entusiamo y calor, cuando siento a pesar de las distincias tu exaltado optimismo y entusiamos con lo que hacer, con lo que buscas, con lo que tratas de construir…me transmites esa fuerza y ese optimismo y, de entre tus palabras, entresaco consecuencias que, me hablan de un buen futuro.
    tu dices:
    “Un cuerpo va sentir la presencia de otro en la distancia,  solo si las energíasmasas elementales (partículas) pueden cumplir con dos posibles topologías de confinación, o dos condiciones de circulación de sus energíascampos confinadas. Cualquier otra condición topológica, aun exigiéndole campos a las energíasmasas, cada una siente el campo de la otra, pero no sienten que la otra existe.”
    Y muchas más cosas que expones y que son, del máximo interés y de un alto valor científico y, sabiendo los muchos “espabilados” que andan sueltos, lo mejor es ir con pies de plomo. Eso es lo que debes hacer: Tener cuidado con tus ideas y preservarlas de los depredadores.
    Un abrazo amigo mio.
     

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  5. 5
    emilio silvera
    el 11 de julio del 2013 a las 10:02

    De todo esto existen múltiples estudios y pruebas que nos han llevado a saber un poco más.
     
    “Tras los resultados mostrados en la conferencia de Moriond, el CERN emitió un comunicado de prensa confirmando que lo que se había observado en el acelerador LHC era : nueva partícula, un bosón y en particular un bosón de tipo bosón de Higgs. En realidad esta era la hipótesis de los estudios que se presentaron durante la conferencia de Moriond. Los esfuerzos se centraron en medir las propiedades de la nueva partícula y en particular los resultados hablaban del espín o spin (inglés) del bosón de Higgs, ver por ejemplo la entrada “el espín del bosón de Higgs“. Para antes de intentar explicar porqué esto es tan importante, veremos en esta entrada qué es el espín de una partícula.
    Estamos acostumbrados a describir las cosas usando comparaciones, es la forma más visual de explicar un concepto. Cuando se descubrió que el átomo estaba formado por un núcleo y  electrones, el modelo que se utilizó fue un modelo a imagen del sistema solar: un núcleo masivo en el centro rodeado de electrones, orbitando al igual que los planetas alrededor del sol. Con el descubrimiento del espín ocurrió algo parecido.
    El nombre de espín viene de rotación en inglés (“spin”). Como un planeta, las partículas podrían rotar sobre si mismas, creando un campo magnético.  Siempre que tenemos una partícula cargada en movimiento se crea un campo magnético. Las partículas cargadas se comportarían como pequeños imanes con un momento magnético, el espín. En los libros se puede ver cuando se habla de espín el dibujo de una peonza. Pero aunque esta es la forma en que utilizando la mecánica clásica podemos intentar comprender el espín, esta idea es errónea. Veamos porque y para ello lo mejor es hablar de como se descubrió.
    El descubrimiento del espín se remonta al 1921 y al experimento que realizaron los físicos, Otto Stern y Walther Gerlach. Tomaron un haz de átomos neutros (plata) y los hicieron pasar a través de un campo magnético no uniforme. Este campo magnético desvió los átomos de plata, al igual que habría desviado pequeños dipolos magnéticos (imanes). Después de pasar por el campo magnético los átomos de plata se hacían chocar contra una película fotográfica dejando pequeños puntitos visibles en la placa. Por esto se utilizaron los  átomos de plata, se comportan como el hidrógeno en un campo magnético pero son más fáciles de detectar en una placa fotográfica. El resultado obtenido fue inesperado y sorprendente.
    El haz de átomos de plata utilizados no tenía ninguna orientación especial, bajo estas circunstancias el resultado que se esperaba según la mecánica clásica era como el de la figura de arriba (‘classical expectation‘). El campo magnético desviaría a unos átomos más que a otros dependiendo de su orientación con respecto al campo magnético. Sin embargo lo que se obtuvo fue la forma de la izquierda. Solo se observó un contorno de puntos en la placa, en el centro no había nada. La única explicación a este hecho era que el momento magnético, el espín, solo podía tener dos orientaciones en el espacio. Esto no se podía explicar si pensamos en el átomo como una peonza. Para el caso del experimento de Stern y Gerlach, la figura es solo cierta si el momento orbital del electrón era cero ( electrón en el estado fundamental, l=0 ).
    Con un experimento relativamente simple, se llegó rápidamente a una conclusión errónea para el espín. La analogía de la peonza nos ayuda a comprender el concepto de espín, pero también nos engaña ya que muy rápidamente llegamos a conclusiones que no son ciertas sobretodo en el momento en que topamos con la física cuántica. La mayoría de las propiedades del espín no se pueden explicar si pensamos en el electrón (partícula) dando vueltas sobre si mismo. En realidad el espín es algo nada intuitivo y realmente su definición en física es la de ‘un grado de libertad‘, un momento angular intrínseco sin una correspondencia en la mecánica clásica.  Esta propiedad de las partículas es muy importante en física de partículas como ya hemos comentado en otras entradas (ver por ejemplo “Einstenion de Higgs“). En la siguiente entrada hablaremos con más detalle de su relación con la física cuántica, simetría y la clasificación de las partículas.
    Si es curioso, pero no parece tan importante”. En realidad el espín de las partículas no solo hace lo anterior sino que define la estadística (en sentido cuántico) a la que pertenecen las partículas y esto sí que es algo muy relevante. Aunque lo hemos comentado en alguna otra entrada lo describiremos aquí también. Las partículas se dividen en partículas con espín semi-entero (fermiones) y espín entero (bosones).
    Son fermiones todos los quarks y los leptones. Se llaman fermiones (por el físico italiano Enrico Fermi) obedecen el principio de exclusión de Pauli, que dice que no podemos tener dos fermiones idénticos con los mismos números cuánticos, en el mismo lugar con la misma velocidad. El principio de exclusión impide que las partículas estén todas en el mismo estado cuántico.  Esta es la razón por la que los electrones ocupan distintos niveles de energía en los átomos y no colapsan todos al nivel fundamental de mínima energía. Este mecanismo es el que impide que una estrella de neutrones colapse completamente (los neutrones tienen spin semi-entero) o el que crea una supernova. La fuerza gravitatoria vence la resistencia (lo que se conoce como presión de degeneración electrónica) provocando una reacción que termina con la explosión de la estrella.
    Los bosones son las partículas que obedecen la estadística de Bose-Einstein y que no tienen la restricción de los fermiones. Podemos tener diferentes partículas en el mismo estado cuántico. Los bosones son los portadores de las fuerzas (causantes de las interacciones entre partículas) mientras que los fermiones son los constituyentes de la materia. La capacidad tener muchas partículas en el mismo estado se utiliza para el láser (fotones) o el el helio superfluido (helio-4 tiene espín cero).!
    Tendremos que seguir insistiendo en saber cómo son los componentes de la materia y las distintas partículas subatómicas que ejercen alguna función en los procesos que se producen cuando están de por medio las interacciones fundamentales de las fuerzas que rigen del universo y que hacen que esos comportamientos, sean, los que podemos observar.
    ¿El Spín de las partículas? Una propiedad más como la masa por ejemplo.
     
     
     

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