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La vida media de las partículas

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (3)

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La mente humana es tan compleja que no todos ante la misma cosa vemos lo mismo. Nos enseñan figuras y dibujos y nos piden que digamos (sin pensarlo) la primera cosa que nos sugiere. De entre diez personas, sólo coinciden tres, los otros siete divergen en la apreciación de lo que el dibujo o la figura les sugiere. Un paisaje puede ser descrito de muy distintas maneras según quién lo pueda describir.

Es una de las singularidades más valiosa de nuestra especie, el que de entre varios miles de millones de seres, ninguno sea igual a otro y cada cual tiene sus propios pensamientos. De esa manera la diversidad de ideas es inmensa y hemos podido avanzar a lo largo de la Historia tan como podemos comprobar repasando los hechos y los personajes desde el remoto pasado.

De no ser de esa manera…. ¡Seríamos autómatas!

Solo el 1% de las formas de vida que han vivido en la Tierra están ahora presentes, el 99%, por una u otra razón se han extinguido. Sin embargo, ese pequeño tanto por ciento de la vida actual, supone unos cinco millones de especies según algunas estimaciones. La  Tierra acoge a todas esas especies u palpita de vida que prolifera por doquier. Hay seres vivos por todas partes y por todos los rincones del inmenso mosaico de ambientes que constituye nuestro planeta encontramos formas de vida, cuyos diseños parecen hechos a propósito para adaptarse a su hábitat, desde las profundidades abisales de los océanos hasta las más altas cumbres, desde las espesas selvas tropicales a las planicies de hielo de los casquetes polares. Se ha estimado la edad de 3.800 millones de años desde que aparecieron los primeros “seres vivos” sobre el planeta (dato de los primeros microfósiles). Desde entonces no han dejado de aparecer más y más especies, de las que la mayoría se han ido extinguiendo. Desde el siglo XVIII en que Carlos Linneo propuso su Systema Naturae no han cesado los intentos por conocer la Biodiversidad…, de la que por cierto nuestra especie, bautizada como Homo sapiens por el propio Linneo, es una recién llegada de apenas 200.000 años.

Ahora, hablaremos de la vida media de las partículas elementales (algunas no tanto). Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida media, una partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

También podríamos utilizar el concepto de “semivida”. Si tenemos un gran número de partículas idénticas, la semivida es el tiempo que tardan en desintegrarse la mitad de ese grupo de partículas. La semivida es 0,693 veces la vida media.

http://www.monografias.com/trabajos75/agua-pesada/image003.gif

Si miramos una tabla de las partículas más conocidas y familiares (fotónelectrón muón tau, la serie de neutrinos, los mesones con sus pioneskaones, etc., y, los Hadrones bariones como el protónneutrónlambdasigmapsi y omega, en la que nos expliquen sus propiedades de masa, carga, espín, vida media (en segundos) y sus principales maneras de desintegración, veríamos como difieren las unas de las otras.

Resultado de imagen de La vida media del Neutrón

“El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos), según el PDG 2012: en muchos isótopos también es inestable aunque su vida media es mucho más larga (el carbono-14 decae en el nitrógeno 14 con una vida media de 5.730 años).”

 

Algunas partículas tienen una vida media mucho más larga que otras. De hecho, la vida media difiere enormemente. Un neutrón por ejemplo, vive 10¹³ veces más que una partícula Sigma⁺, y ésta tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma cero. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico-cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10ˉ²⁴ segundos, se puede decir con seguridad que todas las partículas son bastantes estables. En la jerga profesional de los físicos dicen que son “partículas estables”.

http://nuclear.fis.ucm.es/FERIA/IMAGENES/TAB_ISOTOPOS.JPG

¿Cómo se determina la vida media de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide electrónicamente su desintegración. Las partículas comprendidas entre 10ˉ¹⁰ y 10ˉ⁸ segundos solían registrarse con una cámara de burbujas, pero actualmente se utiliza con más frecuencia la cámara de chispas. Una partícula que se mueve a través de una cámara de burbujas deja un rastro de pequeñas burbujas que puede ser fotografiado. La Cámara de chispas contiene varios grupos de de un gran número de alambres finos entrecruzados entre los que se aplica un alto voltaje. Una partícula cargada que pasa cerca de los cables produce una serie de descargas (chispas) que son registradas electrónicamente. La ventaja de esta técnica respecto a la cámara de burbujas es que la señal se puede enviar directamente a una computadora que la registra de manera muy exacta.

Una partícula eléctricamente neutra nunca deja una traza directamente, pero si sufre algún tipo de interacción que involucre partículas cargadas (bien porque colisionen con un átomo en el detector o porque se desintegren en otras partículas), entonces desde luego que pueden ser registradas. Además, realmente se coloca el aparato entre los polos de un fuerte imán. Esto hace que la trayectoria de las partículas se curve y de aquí se puede medir la velocidad de las partículas. Sin embargo, como la curva también depende de la masa de la partícula, es conveniente a veces medir también la velocidad de una forma diferente.

 

Una colisión entre un protón y un anti-protón registrada mediante una cámara de chispas del experimento UA5 del CERN.

En un experimento de altas energías, la mayoría de las partículas no se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz. Durante su carta vida pueden llegar a viajar algunos centímetros y a partir de la longitud media de sus trazas se puede calcular su vida. Aunque las vidas comprendidas entre 10ˉ¹³ y 10ˉ²⁰ segundos son muy difíciles de medir directamente, se pueden determinar indirectamente midiendo las fuerzas por las que las partículas se pueden transformar en otras. Estas fuerzas son las responsables de la desintegración y, por lo tanto, conociéndolas se puede calcular la vida de las partículas, Así, con una pericia ilimitada los experimentadores han desarrollado todo un arsenal de técnicas para deducir hasta donde sea posible todas las propiedades de las partículas. En algunos de estos procedimientos ha sido extremadamente difícil alcanzar una precisión alta. Y, los datos y números que actualmente tenemos de cada una de las partículas conocidas, son los resultados acumulados durante muchísimos años de medidas  experimentales y de esa manera, se puede presentar una información que, si se valorara en horas de trabajo y coste de los proyectos, alcanzaría un precio descomunal pero, esa era, la única manera de ir conociendo las propiedades de los pequeños componentes de la materia.

Que la mayoría de las partículas tenga una vida media de 10ˉ⁸ segundos significa que son ¡extremadamente estables! La función de onda interna oscila más de 10²² veces/segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10ˉ⁸ x 10²², que es 1¹⁴ o 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera. Podemos decir con toda la seguridad que la interacción responsable de tal desintegración es extremadamente débil.

Resultado de imagen de Ondas cuánticas

Resultado de imagen de Ondas gravitacionales

Se habla de ondas cuánticas y también, de ondas gravitacionales. Las primeras han sido localizadas y las segundas perseguidas durante mucho tiempo por LIGO… ¡Ya han sido encontradas también.

Aunque la vida de un neutrón sea mucho más larga (en promedio un cuarto de hora), su desintegración también se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos atómicos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según  la bien conocida fórmula de Einstein E = Mc². Una desintegración sólo puede tener lugar si la masa total de todos los productos resultantes es menor que la masa de la partícula original. La diferencia entre ambas masas se invierte en energía de movimiento. Si la diferencia es grande, el proceso puede producirse muy rápidamente, pero a menudo la diferencia es tan pequeña que la desintegración puede durar minutos o incluso millones de años. Así, lo que determina la velocidad con la que las partículas se desintegran no es sólo la intensidad de la fuerza, sino también la cantidad de energía disponible.

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas serían perfectamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π°, η y Σ° es la electromagnética. Se observará que estas partículas tienen una vida media mucho más corta, aparentemente, la interacción electromagnética es mucho más fuerte que la interacción débil.

Durante la década de 1950 y 1960 aparecieron tal enjambre de partículas que dio lugar a esa famosa anécdota de Fermi cuando dijo: “Si llego a adivinar esto me hubiera dedicado a la botánica.”

Si la vida de una partícula  es tan corta como 10ˉ²³ segundos, el proceso de desintegración tiene un efecto en la energía necesaria para producir las partículas ante de que se desintegre. Para explicar esto, comparemos la partícula con un diapasón que vibra en un determinado modo. Si la “fuerza de fricción” que tiende a eliminar este modo de vibración es fuerte, ésta puede afectar a la forma en la que el diapasón oscila, porque la altura, o la frecuencia de oscilación, está peor definida. Para una partícula elemental, esta frecuencia corresponde a su energía. El diapasón resonará con menor precisión; se ensancha su curva de resonancia. Dado que para esas partículas extremadamente inestable se miden curvas parecidas, a medida se las denomina resonancias. Sus vidas medias se pueden deducir directamente de la forma de sus curvas de resonancia.

http://i.livescience.com/images/i/22669/i02/cms-higgs.jpg

Bariones Delta. Un ejemplo típico de una resonancia es la delta (∆), de la cual hay cuatro especies ∆ˉ, ∆⁰, ∆⁺ y ∆⁺⁺(esta última tiene doble carga eléctrica). Las masas de las deltas son casi iguales 1.230 MeV. Se desintegran por la interacción fuerte en un protón o un neutrón y un pión.

Existen tanto resonancias mesónicas como bariónicas . Las resonancias deltas son bariónicas. Las resonancias deltas son bariónicas. (También están las resonancias mesónicas rho, P).

Las resonancias parecen ser solamente una especie de versión excitada de los Hadrones estable. Son réplicas que rotan más rápidamente de lo normal o que vibran de diferente manera. Análogamente a lo que sucede cuando golpeamos un gong, que emite sonido mientras pierde energía hasta que finalmente cesa de vibrar, una resonancia termina su existencia emitiendo piones, según se transforma en una forma más estable de materia.

Por ejemplo, la desintegración de una resonancia ∆ (delta) que se desintegra por una interacción fuerte en un protón o neutrón y un pión, por ejemplo:

∆⁺⁺→р + π⁺;  ∆⁰→р + πˉ; o п+π⁰

En la desintegración de un neutrón, el exceso de energía-masa es sólo 0,7 MeV, que se puede invertir en poner en movimiento un protón, un electrón y un neutrino. Un Núcleo radiactivo generalmente tiene mucha menos energía a su disposición.

El estudio de los componentes de la materia tiene una larga historia en su haber, y, muchos son los logros conseguidos y muchos más los que nos quedan por conseguir, ya que, nuestros conocimientos de la masa y de la energía (aunque nos parezca lo contrario), son aún bastante limitados, nos queda mucho por descubrir antes de que podamos decir que dominamos la materia y sabemos de todos sus componentes. Antes de que eso llegue, tendremos que conocer, en profundidad, el verdadero origen de la Luz que esconde muchos secretos que tendremos que desvelar.

Esperemos que con los futuros experimentos del LHC y de los grandes Aceleradores de partículas del futuro,  se nos aclaren algo las cosas y podamos avanzar en el perfeccionamiento del Modelo Estándar de la Física de Partículas que, como todos sabemos es un Modelo incompleto que no contiene a todas las fuerzas de la Naturaleza y, cerca de una veintena de sus parámetros son aleatorios y no han sido explicados.(Bueno, ahora son 19 después del descubrimiento del Bosón de Higgs).

Sin embargo, a mí particularmente me quedan muchas dudas al respecto.

emilio silvera

 

  1. 1
    Pedro
    el 19 de abril del 2019 a las 16:06

    Resulta que la  vida media de los muones aumenta a medida que aumenta la velocidad de los mismos cerca de c. Y nos cuentan que es una prueba de la dilatación del tiempo. Me pregunto si el ritmo de tiempo varía en función de la velocidad próxima a c, osea se relentiza, eso significa que todos los procesos físicos en dicho contexto también se relentizan. Esto es muy distinto a que los muones cumplieran más años, Osea su vida media aumente. 
    Quiero decir relentizar el ritmo de tiempo es muy distinto de aumentar el número de años o disminuir los. 
    Si los muones viajan a c, su vida media si acaso debería disminuir ya que disminuye su ritmo de tiempo. 
    No entiendo como puede aumentar el número de sus cumpleaños. O vida media. Saludos

    Salvo que ahora un año en un sistema de referencia su equivalente sea muy dispar en otro sistema de referencia. Entonces sólo nos quede hablar de supuestos ritmos imaginarios antropoegocentricos. 

    Responder
  2. 2
    Pedro
    el 19 de abril del 2019 a las 16:48

      A lo mejor lo que verdaderamente ocurre es que el supuesto tiempo no transcurre sino que todo se opone a su inmutabilidad, impermeabilidad, imperdurabilidad, terquedad obsesiva y es toda la materia y radiación y espacio su supuesto reverso sin más. Osea tenemos por un lado materia, radiación,  espacio y leyes de interaccion y su única contrapartida entropia sin más. 
     
    Los relojes no miden más que entropia desbocada o no (positiva o negativa, seres vivos o muerte térmica, o termalizacionn nuclear) estados enajenados de la materia, osea insulsos por falta de impetuosidad sacrilica, osea sin afán posible. 

    Responder
  3. 3
    Pedro
    el 19 de abril del 2019 a las 20:00

    Sigamos dando al mueble, ahora tenemos un eje y un cilindro girando o no sobre el mismo, como los rodillos en las itv de los coches. 
    Se me ocurre que el eje representa al tiempo y el cilindro todo lo demás. 
    Entonces surge la pregunta: ¿Que sustenta el tiempo, osea sus puntos de anclaje? 
    Y más aún ¿Sobre qué?. 
    Y si todo se congela (cilindro inmóvil) , ¿el tiempo seguirá su ixesorabilidad? ¿Su imperturbabilidad? ¿Será impertérrito? 
    Si resulta que el cilindro representa todo lo demás radiación, materia, espacio, y leyes físicas. Todo parece que pudiera ser reversible, osea  hay dirección a priori y sentido preferente. Osea del orden pasaríamos al desorder y viceversa. 
    ¿Como distinguir la direccionalidad? Izda o Dcha. 
    Entonces que ocurre en los casos extremos, por ejemplo la vida. Sólo es posible en una dirección, de sentido único. 
    ¿Que ocurre con la friccionalidad? Todo parece indicar que ambos pierden impetuosidad, osea, el tiempo su única ociosidad devastar se asimismo y a todo lo demás.¿Pero que es lo que se desvasta, osea el componente del eje, su constituyente? 
    Conclusion:
    “El tiempo es un subalterno de entre las distintas interacciones, esto es sin interacción no hay nada mensurable, inclusíve el tiempo.” 
    “El tiempo es como una sombra, cuyo único sostén la materia y luz que la conforma. ” Osea el tiempo no afecta a la materia, sino que la materia se ve afectada por su interacción con otra materia. 
    ¿Y donde reina la oscuridad? , ¿que alienta la ociosidad? , osea hay forma de medir algo, todo es inmesurable inclusive el tiempo. 
    Resumen:
    ” El tiempo es un subalterno de las interacciones, y es inacotable porque es la intensidad de la interacción quien determina lo subalterno de toda índole temporal o no.”
    PROBLEMA MAYUSCULO:
    ¿Donde encaja en el conjunto la entropia? 
    Tal vez es el sostén del conjunto eje y cilindro osea interacciones y sus leyes. 
    Y el espacio : ¿Que componente lo representa? Si es el cilindro,¿Donde está el centro? ¿Y respecto a que? Al tiempo no es posible. Son dos magnitudes muy diferenciadas. Espero al autobús, sin moverme del sitio, y el condenado tarda en llegar. 

        Y a todo esto falta añadir, que el sistema se mantiene si hay dos rodillos y no uno solo. 
     
    Podríamos pensar un eje es el tiempo el otro eje es la entropia un cilindro representa toda la materia y radiación y leyes de interacción, el otro cilindro el espacio. Entonces surge ¿a  que llamamos al componente que mueve ambos cilindros?. Tal vez al propio ímpetu de las cosas. 

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