viernes, 23 de octubre del 2020 Fecha
Ir a la página principal Ir al blog

IMPRESIÓN NO PERMITIDA - TEXTO SUJETO A DERECHOS DE AUTOR




De cómo llegamos hasta los Quarks

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

RSS de la entrada Comentarios Trackback Suscribirse por correo a los comentarios

 

Ahora todos hablamos del LHC. Sin embargo, la historia de los aceleradores no comenzó con éste moderno y complejo conglomerado de sofisticadas estructuras que hacen posible que visitemos lugares muy lejanos en el corazón de la materia. Tendríamos que recordar al acelerador lineal también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador que le proporciona a la partícula subatómica cargada pequeños incrementos de energía cuando pasa a través de una secuencia de campos eléctricos alternos.

Mientras que el generador de Van de Graaff proporciona energía a la partícula en una sola etapa, el acelerador lineal y el ciclotrón proporcionan energía a la partícula en pequeñas cantidades que se van sumando. El acelerador lineal, fue propuesto en 1924 por el físico sueco Gustaf Ising. El ingeniero noruego Rolf Wideröe construyó la primera máquina de esta clase, que aceleraba iones de potasio hasta una energía de 50.000 eV.

Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron potentes osciladores de radio frecuencia, necesarios para los radares de la época. Después se usaron para crear aceleradores lineales para protones que trabajaban a una frecuencia de 200 MHz, mientras que los aceleradores de electrones trabajan a una frecuencia de 3000 MHz.

El acelerador lineal de protones diseñado por el físico Luis Alvarez en 1946, tenía 875 m de largo y aceleraba protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV (800 millones). El acelerador lineal de la universidad de Stanford es el más largo entre los aceleradores de electrones, mide 3.2 km de longitud y proporciona una energía de 50 GeV (50 billones). En la industria y en la medicina se usan pequeños aceleradores lineales, bien sea de protones o de electrones.

El SLAC, ubicado al sur de San Francisco, acelera electrones y positrones a lo largo de algo más de tres kilómetros hacia varios blancos, anillos y detectores ubicados en su finalización. Este acelerador hace colisionar electrones y positrones, estudiando las partículas resultantes de estas colisiones. Construido originalmente en 1962, se ha ido ampliando y mejorando para seguir siendo uno de los centros de investigación de física de partículas mas avanzados del mundo. El centro ha ganado el premio nobel en tres ocasiones. Y, una vez recordada de manera breve la historia, pasaremos directamente al tema que en realidad nos ha tríado aquí: ¡El descubrimiento de los Quarks!

Ahora los medios con los que cuentan los físicos del LHC son inmensamente más eficaces y están más adelantados que aquellos viejos aceleradores que, sin embargo, fueron los pioneros y los que hicieron posible adquirir conocimientos que nos han traído hasta el moderno LHC.

En 1967 se emprendió una serie de experimentos de dispersión mediante los nuevos haces de electrones del SLAC. El objetivo era estudiar más incisivamente la estructura del protón. Entra el electrón de gran energía, golpea un protón en un blanco de hidrógeno y sale un electrón de energía mucho menor, pero en una dirección que forma un ángulo grande con respecto a su camino original. La estructura puntual dentro del protón actúa, en cierto sentido, como el núcleo con las partículas alfa de Rutherford. Pero el problema era aquí más sutíl.

Richard Edward Taylor

 

Richard Edward Taylor

 

“Richard Edward Taylor fue uno de los veintidós científicos que trabajó intensamente en el acelerador lineal de Stanford (SLAC), en una serie de pruebas experimentales que vinieron a demostrar que los protones y los neutrones son poseedores de una estructura interna, lo que a su vez confirma las predicciones teóricas del neoyorquino Murray Gell-Mann (1929- ), acerca de la existencia de los denominados quarks.

Junto con sus colegas de Stanford junto con Jerome I. Friedman y Henry W. Kendall -con los que luego habría de compartir el Nobel-, Taylor investigó sobre la estructura interna de la materia, en su mínima expresión, para lo que partió del modelo teórico de los quarks, postulado por Gell-Mann y -de forma independiente- G. Zweig. Tras sus descubrimientos experimentales en el acelerado lineal de Stanford, Taylor perfeccionó dicho modelo añadiéndole la existencia de unas subpartículas desconocidas hasta entonces, que luego fueron denominadas leptones; además, introdujo en el modelo teórico de Gell-Mann otras partículas no estructurales, sino de intercambio de fuerza, a las que en Stanford comenzaron a llamar bosones.”

James Bjorken.jpg
James Bjorken.

«Ciencia es creer en la ignorancia de los científicos».

Richard Feynman

Los dos últimos párrafos los he tomado prestados de www.mcnbiografias.com., que es lo que se explica de este tema en casi todas partes. Sin embargo, pocos cuentan que, el equipo de Stanford, dirigido por el físico del SLAC por Richard Taylor y los otros dos físicos del MIT, Jerome Friedman y Henry Kendall, tuvieron la gran suerte de que, Richard Feynman y James Bjorken, metieran sus narices en el proyecto llevados por la curiosidad y como habían prestado  su energía y su imaginación a las interacciones fuertes  y se preguntaban: ¿que habrá dentro del protón?

Amnos, Feynman y Bjorken visitaban con frecuencia Stanford desde su base en el  Cal Tech, en Pasadena. Bjorken, teórico de Stanford, estaba muy interesado en el proyecto experimental y en las reglas que regían unos datos aparentemente incompletos. Estas reglas, razonaba Bjorken, serían indicadoras de las leyes básicas (dentro de la “caja negra”) que controlaba la estructura de los hadrones.

Simulación por computadora de los cuatro experimentos del LHC: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.Créditos: CERN.

No estaría mal echar una mirada hacia atrás en el tiempo y recordar, en este momento, a Demócrito que, con sus postulados, de alguna manera venía a echar un poco de luz sobre el asunto, dado que él decía que  para determinar  si algo era un á-tomo habría que ver si era indivisible. En el modelo de los quarks, el protón, en realidad, un conglomerado pegajoso de tres quarks que se mueven rápidamente. Pero como esos quarks están siempre ineludiblemente encadenados los unos a los otros, experimentalmente el protón aparece indivisible.

Acordémonos aquí de que Boscovich decía que, una partícula elemental, o un “á-tomo”, tiene que ser puntual. Y, desde luego, esa prueba, no la pasaba el protón. El equipo del MIT y el SLAC, con la asesoría de Feynman y Bjorken, cayó en la cuenta de que en este caso el criterio operativo era el de los “puntos” y no el de la indivisibilidad. La traducción de sus datos a un modelo de constituyentes puntuales requería una sutileza mucho mayor que el experimento de Rutherford.

Precisamente por eso era tan conveniente fue tan conveniente para Richard Edward Taylor y su equipo, tener a dos de los mejores teóricos del mundo en el equipo aportando su ingenio, agudeza e intuición en todas las fases del proceso experimental. El resultado fue que los datos indicaron, efectivamente, la presencia de objetos puntuales en movimiento dentro del protón.

En 1990 Taylor, Friedman y Kendall recogieron su premio Nobel por haber establecido la realidad de los quarks. Sin embargo, a mí lo que siempre me ha llamado más la atención es el hecho cierto de que, este descubrimiento como otros muchos (el caso del positrón de Dirac, por ejemplo), han sido posible gracias al ingenio de los teóricos que han sabido vislumbrar cómo era en realidad la Naturaleza.

A todo esto, una buena pregunta sería: ¿cómo pudieron ver este tipo de partículas de tamaño infinitesimal, si los quarks no están libres y están confinados -en este caso- dentro del protón?  Hoy, la respuesta tiene poco misterio sabiendo lo que sabemos y hasta donde hemos llegado con el LHC que, con sus inmensas energías “desmenuza” un protón hasta dejar desnudos sus más íntimos secretos.

                    Este es, el resultado ahora de la colisión de protones en el LHC

Lo cierto es que, en su momento, la teoría de los Quarks hizo muchos conversos, especialmente a medida que los teóricos que escrutaban los datos fueron imbuyendo a los quarks una realidad creciente, conociendo mejor sus propiedades y convirtiendo la incapacidad de ver quarks libres en una virtud. La palabra de moda en aquellos momentos era “confinamiento”. Los Quarks están confinados permanentemente porque la energía requerida para separarlos aumenta a medida que la distancia entre ellos crece. Esa es, la fuerza nuclear fuerte que está presente dentro del átomo y que se encarga de transmitir los ocho Gluones que mantienen confinados a los Quarks.

Así, cuando el intento de separar a los Quarks es demasiado intenso, la energía se vuelve lo bastante grande para crear un par de quark-anti-quark, y ya tenemos cuatro quarks, o dos mesones. Es como intentar conseguir un cabo de cuerda. Se corta y… ¡ya tenemos dos!

¿Cuerdas? Me parece que estoy confundiendo el principal objetivo de este trabajo y, me quiero situar en el tiempo futuro que va, desde los quarks de Gell-Mann hasta las cuerdas de Veneziano y John Schwarz y más tarde Witten. Esto de la Física, a veces te juega malas pasadas y sus complejos caminos te llevan a confundir conceptos y  momentos que, en realidad, y de manera individualizada, todos han tenido su propio tiempo y lugar.

¿Cuántas veces no habré pensado, en la posibilidad de tomar el elixir de la sabiduría para poder comprenderlo todo? Sin embargo, esa pósima mágica no existe y, si queremos saber, el único camino que tenemos a nuestro alcance es la observación, el estudio, el experimento… ¡La Ciencia!, que en definitiva, es la única que nos dirácomo es, y como se comporta la Naturaleza y, si de camino podemos llegar a saber, por qué lo hace así…¡mucho mejor!

emilio silvera

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 15 de diciembre del 2012 a las 10:09

    Es verdadertamente fantástico que pudiéramos conseguir llegar tan lejos en el conocimiento de los pequeños objetos que forman la materia. Y, habiéndo llegado hasta los Quarks, lo cierto es que, aún no las tenemos todos consigo para poder afirmar que, éstos objetos formadores de protones, neutrones y otros bariones y mesones, sean los que llamamos fundamentales. Los constituyentes más sencillos de la materia.
    El hallazgo de los Quarks, junto con el de Rutherford del núcleo atómico, nos dio la evidencia de que los átomos no eran elementales, en el sentido de que tienen una estructura interna que los hace complejos.
    Desde entonces, desde aquellos experimentos pioneros en 1967, la estructura hadrónica que en 1964 introdujo Gell-Mann, quedó firmemente asentada y, en este modelo, los hadrones se dividen en bariones (que se desintegran en protones)  y mesones (que se desintegran en leptones y fotones).
    Del resto ya sabemos la historia: Los bariones están formado por tres Quarks y los mesones por un quark y un anti-quark. Pero lo importante de todo esto es que, hemos podido, desde Demócrito hace ahora más de 2.000 años, llegar a saber (al menos en una gran parte) como es el átomo que conforma la materia.
     
     

    Responder
  2. 2
    andres
    el 15 de diciembre del 2012 a las 12:28

    y para colmo a nivel cuantico se dice que el tiempo y el espacio no van sincronizados estas implicaciones se me escapan ya que poco hay en la naturaleza (o en la reconstruccion que hace nuestro cerebro del entorno) que se lo parezca…

    Responder
  3. 3
    Carlos Reyes
    el 16 de diciembre del 2012 a las 1:13

    Preciosa la historia de la fisica.

    Responder
  4. 4
    emilio silvera
    el 16 de diciembre del 2012 a las 8:16

    Sí, la historia de la física nos enseña y es un ejemplo de cómo el ser humano, a pesar de todas sus carencias, ha sabido superar obstáculos muy grandes para poder llegar a saber, lo que la materia es. A través de la Física hemos podido saber cómo se comporta la Naturaleza y, de esos conocimientos, hemos podido obtener muchos beneficios que han hecho posible que, la calidad de vida sea superior, que ahora seámos capaces de viajar hasta otros mundos y en fín, que el saber humano esté a un nivel superior. Ahora sabemos mucho más del mundo que nos rodea y del Universo que nos acoge.
    Ni las estrellas lejanas han podido esconder sus secretos ante nuestra insaciable curiosidad que, valiéndose de la Física y de otras disciplinas, ha podido desvelar cuestiones profundamente escondidas que han posibilitado esa evolución mental de la que ahora disfrutamos.
    Ni en el mundo de lo muy grande, ni el el de lo muy pequeño, ha podido la Naturaleza ocultarnos todos sus secretos y, algunos, han podido ser descubiertos gracias a la física para que, ahora nosotros, sepamos, al menos de una manera más o menos aceptable, dónde estamos y, ¿por qué no? hacia dónde vamos.
    ¡La Física! ¡Qué maravilla!

    Responder
  5. 5
    emilio silvera
    el 10 de septiembre del 2013 a las 8:36

    En la física de partículas hemos hecho un recorrido muy largo y, desde que se descubrió el Protón, el Neutrón, el Electrón y más tarde los Quarks, han pasado ya un buen espacio de tiempo que nos ha posibilitado, utilizando los aceleradores, el poder llegar más lejos y fisgar en las profundidades del átomo para “ver” de qué estaba hecho y cómo funcionaban allí, las fuerzas de la naturaleza.
    Así, los componentes de la materia, cada vez tienen menos secretos para nosotros y cada vez, también, le podemos sacar más renimiento a esos conocimientos que poco a poco, vamos adquiriendo no sin pasar antes, por equivocaciones varias.
    Siempre queremos ir mucho más allá de lo que podemos y, andamos enredados con la Teoría de cuerdas y hablamos de fluctuaciones del vacío, de superconductores, de nonociencia y nanotecnología y en fin, hablamos de lo que queremos saber y nos llevará al futuro.
    Y, usted, ¿qué opina de todo esto?

    Responder

Deja un comentario



Comentario:

XHTML

Subscribe without commenting