En su libro “Partículas Elementales”, Gerard ´t Hooft, en su capítulo titulado “La bonanza Yang-Mills”, finalizaba diciendo:

“Lo único que no resulta ser lo mismo cuando se mira a través del microscopio (o, en la jerga de la física teórica, cuando se realiza una transformación de escala) es la masa de la partícula. Esto se debe a que el alcance de la fuerza parece mayor a través del microscopio. Nótese que esta situación es la opuesta a la que se presenta en la vida corriente donde un grano de arena parece mayor  -¿más pesado, por tanto?- cuando se observa con un microscopio.”

En ésta última imagen:

“Esquema perturbativo de QFT para la interacción de un electrón (e) con un quark (q), la línea azul representa un campo electromagnético (campo de Yang-Mills con simetría U(1)) y la línea verde un campo de color (campo de Yang-Mills con simetría SU(3)).”

Una consecuencia de todo esto es que en una teoría de Yang-Mills el término de masa parece desaparecer cuando se realiza una transformación de escala, lo que implica que a través del microscopio se recupera la invariancia gauge. Esto es lo que causa la dificultad con la que se enfrentó Veltman. ¿Se puede observar directamente el potencial vector de Yang-Mills? Parece que puede observarse en el mundo de las cosas grandes pero no en el mundo de lo pequeño. Esto es una contradicción y es la razón por la que este esquema nunca ha podido funcionar adecuadamente.

¡Había una salida! Pero ésta procede de una rama muy diferente de la física teórica. La física de los metales a muy bajas temperaturas. A esas temperaturas, los “fenómenos cuánticos” dan lugar a efectos muy sorprendentes, que se describen con teorías cuánticas de campos, exactamente iguales que las que utilizan en la física de partículas elementales. La Física de Partículas Elementales no tiene nada que ver con la física de bajas temperaturas, pero las matemáticas son muy parecidas.

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La Teoría definitiva que buscó Einstein durante los últimos 30 años de su vida. La Ecuación soñada que pueda dar respuesta a todas las preguntas fundamentales del Universo. Las ecuaciones de Einstein eran exhubidas en un escaparate de la 5ª Avenida de Nueva York, la gente se amontonaba para verlas sin entender  absolutamente nada.

¡La Física! Lo que busca la física fundamental es reducir las leyes de la naturaleza a una teoría final sencilla que lo explique todo. El físico y premio Nobel Steven Weinberg señala que las reglas fundamentales son lo más satisfactorio (al menos para él). Las leyes básicas de Isaac Newton, que predicen el comportamiento de los planetas, son más satisfactorias, por ejemplo, que un almanaque en el que se indique la posición de todos los planetas en cada momento. Weinberg nos dice que la Física no puede explicarlo todo, matizando que sólo puede explicar los sucesos relacionándolos con otros sucesos y con las reglas existentes.

Por ejemplo, las órbitas de los planetas son el resultado de unas reglas, pero las distancias de los planetas al Sol son accidentales, y no son consecuencia de ley fundamental alguna. Claro que, también las leyes podrían ser fruto de casualidades. Lo que sí es cierto es que los físicos están más interesados por descubrir las reglas que por los sucesos que dichas reglas determinan, y más por los hechos que son independientes del tiempo; por ejemplo, les interesa más la masa del electrón que un tornado que se pueda producir en un lugar determinado.

La ciencia, como nos dice Weinberg, no puede explicarlo todo y, sin embargo, algunos físicos tienen la sensación de que nos estamos acercando a “una explicación del mundo” y, algún día, aunando todos los esfuerzos de muchos, las ideas de las mejores mentes que han sido, y las nuevas que llegarán, podremos, al fín, construir esa Teoría final tan largamente soñada que, para que sea convincente, deberá también, incluirnos a nosotros. Pero, paradógicamente y a pesar de estos pensamientos, existen hechos que los contradicen, por ejemplo, conocemos toda la física fundamental de la molécula de agua desde hace 7 decenas de años, pero todavía no hay nadie que pueda explicar por qué el agua hierve a los 100 ºC. ¿Qué ocurre? ¿Somos acaso demasiado tontos? Bueno, me atrevería a pronosticar que seguiremos siendo “demasiado tontos” incluso cuando los físicos consigan (por fin) esa teoría final que nos pueda dar una “explicación del mundo”. Siempre seguiremos siendo aprendices de la naturaleza que, sabia ella, nos esconde sus secretos para que persista el misterio.

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La radiactividad de algunos materiales

Hacia principios de siglo se hizo una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento.  El inglés William Crookes (el del “tubo Crookes”) logró disociar del uranio una sustancia cuya ínfima cantidad resultó ser mucho más radiactiva que el propio uranio.  Apoyándose en su experimento, afirmó que el uranio no tenía radiactividad, y que esta procedía exclusivamente de dicha impureza, que él denomino “uranio X”.  Por otra parte, Henri Becquerel descubrió que el uranio purificado y ligeramente radiactivo adquiría mayor radiactividad con el tiempo, por causas desconocidas.  Si se dejan reposar durante algún tiempo, se podía extraer de él repetidas veces uranio activo X. Para decirlo de otra manera: por su propia radiactividad, el uranio se convertía en el uranio X, más activo aún.

E.  Rutherford odentificó los tres tipos principales de radiactividad: rayos Alfa, rayos Beta y Rayos Gamma

Por entonces, Rutherford, a su vez, separó del torio un “torio X” muy radiactivo, y comprobó también que el torio seguía produciendo más torio X. Hacia aquellas fechas se sabía ya que el más famoso de los elementos radiactivos, el radio, emitía un gas radiactivo, denominado radón.  Por tanto, Rutherford y su ayudante, el químico Frederick Soddy, dedujeron que, durante la emisión de sus partículas, los átomos radiactivos de transformaban en otras variedades de átomos radiactivos.

Varios químicos, que investigaron tales transformaciones, lograron obtener un surtido muy variado de nuevas sustancias, a los que dieron nombres tales como radio A, radio B, mesotorio I, mesotorio II y Actinio C.  Luego los agruparon todos en tres series, de acuerdo con sus historiales atómicos. Una serie de originó del uranio disociado; otra, del torio, y la tercera, del actinio (si bien más tarde se encontró un predecesor del actinio, llamado “protactinio”).

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Cuando el Acelerador de partículas de Ginebra (el LHC), se pudo en marcha hace algunos, años os decía:

“El programa experimental del LHC. Demoslé un repaso.

                                   Se pudo en marcha un día 10 de Septiembre a las 9,30 horas del año 2008

“Es el mayor colisionador y acelerador de partículas del mundo, así como el más potente (la energía almacenada en él podría fundir hasta 50 toneladas de cobre.)

“CERN entrará en funcionamiento. Actualmente ya ha empezado el largo proceso de enfriar su enorme masa a las bajas temperaturas que permitirán el funcionamiento de los imanes superconductores a menos de 271 grados centígrados bajo cero, menos de dos grados por encima del cero absoluto. De esta manera empezará la colisión frontal de dos haces de protones de una energía jamás alcanzada en ningún laboratorio.”

“De hecho, sus medidas son sorprendentes: consta de un anillo de 27 kilómetros que se extiende entre el distrito de Gex (Francia) y el cantón de Ginebra (Suiza), y que está enterrado a entre 50 y 150 metros de profundidad. Dicho anillo está compuesto de imanes superconductores que se encuentran a una temperatura cercana al llamado “cero absoluto” (-273,15 ºC).”

       ¿Cómo son los imáanes del LHC?

“Esta temperatura es la necesaria para generar el vacío que permitirá la circulación de los haces de protones o de iones de plomo a una velocidad próxima a la de la luz. Gracias a estos procesos, los físicos esperan descubrir los secretos más íntimos de la materia, como si existe o no el hipotético bosón de Higgs  o si son posibles los viajes en el tiempo.”

Consta de varios experimentos como el CMS

“En general, un acelerador de partículas es un instrumento que utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas subatómicas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, incluso cercanas a la de la luz.”

              Primeras pruebas a 13 TeV

“El LHC, en concreto, se diseñó para colisionar haces de protones de 7 Tev (teraelectronvoltios) de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar de la Física de Partículas,  que es el marco teórico actual de la física de partículas. En su fabricación han participado más de 2.000 físicos de 34 países, y cientos de universidades y laboratorios, con una inversión de casi cuatro millones de euros.”

“Una parte clave del proceso fue la puesta a punto de los colimadores. Estos dispositivos absorben partículas desviadas fueron ajustaron a las condiciones de colisión de haces. Esta configuración le dará a los científicos del acelerador los datos que necesitan para asegurarse de que los imanes y los detectores del LHC están totalmente protegidos.”

 “Esta es una parte importante del proceso que permitirá a los equipos experimentales que supervisan los detectores de ALICE, ATLAS, CMS y LHCb cambiar sus experimentos totalmente. La toma de datos y la segunda puesta en funcionamiento de LHC está prevista para principios de junio.”

El LHC ya estaba presente en el horizonte científico del CERN cuando se aprobó, a mediados de la década de los 70, la construcción de LEP. Ya entonces se decidió dimensionar la obra civil de forma que pudiera albergar en el futuro un colisionador hadrónico. En 1984 las principales características de la máquina quedaban definidas: el LHC sería un colisionador protón-protón, con una energía en el centro de masas entre 10 y 20 TeV y una altísima luminosidad (mayor 10³³ cm ²sˉ¹ y que posteriormente se aumentaría hasta 10³⁴ cm ˉ²sˉ¹).

LHCb es el más bello de los experimentos del LHC. La “b” es de “beauty” o “belleza”.

La “belleza” es uno de los “sabores” de los quarks.

 

El acelerador:

Un túnel de 27 km de circunferencia, a una profundidad media de 100 m, en la frontera franco-suiza alberga el LHC. Dado que la longitud total del acelerador queda fijada por la longitud del túnel, la energía máxima de colisión alcanzable depende críticamente del campo magnético que pueda mantenerse de forma estable con los imanes bipolares de curvatura que lo configuran.

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Efecto túnel a través del espacio y del tiempo

En definitiva, estamos planteando la misma cuestión propuesta por Kaluza, cuando en 1.919 escribió una carta a Einstein proponiéndole su teoría de la quinta dimensión para unificar el electromagnetismo de James Clark Maxwell y la propia teoría de la relatividad general, ¿dónde está la quinta dimensión?, pero ahora en un nivel mucho más alto. Como Klein señaló en 1.926, la respuesta a esta cuestión tiene que ver con la teoría cuántica. Quizá el fenómeno más extraordinario (y complejo) de la teoría cuántica es el efecto túnel.

El efecto túnel se refiere al hecho de que los electrones son capaces de atravesar una barrera, al parecer infranqueable, hacia una región que estaría prohibida si los electrones fuesen tratados como partículas clásicas. El que haya una probabilidad finita de que un electrón haga un túnel entre una región clásicamente permitida a otra que no lo está, surge como consecuencia de la mecánica cuántica. El efecto es usado en el diodo túnel. La desintegración alfa es un ejemplo de proceso de efecto túnel.

Antes preguntábamos, en relación a la teoría de Kaluza-Klein, el destino o el lugar en el que se encontraba la quinta dimensión.

“En la teoría de Kaluza-Klein original, a una entidad geométrica de dimensión d convencionales, se les asocia una entidad de dimensionalidad d+1: Un “punto” de espacio-tiempo de cuatro dimensiones es una curva cerrada (d = 1), y la trayectoria (d=1) de dos partículas que colisionan puede estudiarse sobre dos tubos que se unen (d=2).”

“La teoría de Kaluza-Klein es una generalización de la teoría de la relatividad general. Fue propuesta por Theodor Kaluza (1919), y refinada por Oskar Klein (1926), y trata de unificar la gravitación y el electromagnetismo, usando un modelo geométrico en un espacio-tiempo de cinco dimensiones.”

La respuesta de Klein a esta pregunta fue ingeniosa al decir que estaba enrollada o compactada en la distancia o límite de Planck, ya que, cuando comenzó el Big Bang, el universo se expandió sólo en las cuatro dimensiones conocidas de espacio y una de tiempo, pero esta dimensión no fue afectada por la expansión y continua compactada en  cuyo valor es del orden de 10^-35 metros, distancia que no podemos ni tenemos medios de alcanzar, es 20 ordenes de magnitud menor que el protón que está en 10^-15 metros.

Pues las dimensiones que nos faltan en la teoría decadimensional, como en la de Kaluza-Klein, también están compactadas en una recta o en un círculo en esa distancia o límite de Planck que, al menos por el momento, no tenemos medios de comprobar dada su enorme pequeñez, menor que un protón. De hecho sería 0,00000000000000000000000000000000001 metros, lo que pone muy difícil que lo podamos ver.

¿Cómo pueden estar enrolladas unas dimensiones?

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