Física: ¿Hay partículas indivisibles?

En física de partículas no solemos hablar directamente de indivisibilidad sino que hablamos de partículas fundamentales o elementales.

Registro del CMS que pudiera ser la firma de la partícula de Higgs. cern afp

La respuesta en realidad es muy simple porque nosotros a día de hoy sí que conocemos partículas indivisibles. Pero si filosofamos un poco habría que definir qué significa indivisible. ¿Significa que no se pueden romper o que carecen de estructura interna? En física de partículas no solemos hablar directamente de indivisibilidad sino que hablamos de partículas fundamentales o elementales. Para nosotros son partículas fundamentales aquellas en las que a día de hoy, es decir, con el rango de energías que tenemos en este momento, no se ha observado ninguna estructura interna, o lo que es lo mismo, no están compuestas por otras partículas más pequeñas. Eso son partículas fundamentales y serían, por ejemplo, el electrón y otros leptones o los quarks.
Esto que te explico es lo que hemos podido observar hasta el momento con el rango de energías de las que disponemos. Por ejemplo, en aceleradores de partículas como el LHC (Large Hadron Collider) donde yo trabajo, usamos órdenes de energía de teraelectronvoltios, es decir un billón de electronvoltios. Un electronvoltio (eV) es una unidad que correspondería a la energía necesaria para mover un electrón dentro de una diferencia de potencial de un voltio. Estaríamos hablando de cantidades de energía que traducido a longitudes de onda son del orden de 10^-18 metros. Es decir podemos detectar algo tan pequeño como eso, 10^-18 metros, que realmente es tan pequeño que está dentro de la escala subatómica.

Con estas energías tan altas lo que hacemos en el acelerador de partículas es colisionar haces de protones, estos haces de protones son partículas que no son fundamentales porque están constituidas por otras partículas, los quarks que son los que al final colisionan entre sí. Podríamos decir que con nuestro “microscopio electrónico de protones” en el LHC y los rangos de longitud de onda de los que podemos disponer en este momento no nos permiten observar una estructura interna de lo que para nosotros son las partículas elementales o indivisibles. Eso es lo que estudiamos, a lo que llamamos el modelo estándar de física de partículas que explica las partículas fundamentales y sus interacciones.

Hasta el momento sí hay una serie de partículas indivisibles que son estos electrones y quarks que están divididos en tres familias y que curiosamente no tenemos ni idea de por qué son tres. Además hay mucha variedad de masas pero solo la primera familia de estas partículas, los electrones, los quarks up y los quarks down son los que forman la materia ordinaria, es decir la materia de la que está hecho todo lo que conocemos. El resto de partículas indivisibles que hemos detectado, como los muones y otro tipo de quarks, tienen que ser creados en el laboratorio o a raíz de rayos cósmicos que atraviesan la atmósfera y dejan este tipo de muones o de partículas que nos llegan a nosotros.

Esto es lo que conocemos a día de hoy. Pero las personas que investigamos en física de partículas tenemos la puerta abierta a que cuando aumentemos el rango de energías que utilizamos pueda descubrirse que estas que ahora consideramos indivisibles o fundamentales no lo son en realidad sino que estén compuestas por otras que todavía no podemos observar porque no contamos con la energía suficiente. No lo sabemos. Pero igual que en el siglo XIX se pensaba que el átomo era indivisible, nosotros ahora pensamos que el electrón y los quarks lo son también, aunque no podemos estar completamente seguros.

Bárbara Álvarez González es doctora en Física Experimental de Partículas e investigadora en la Universidad de Oviedo e ICTEA (Instituto de Ciencias y Tecnologías Espaciales de Asturias).

Cortesía de: El País (Ciencia)

¿Qué fue del bosón de Higgs?

Seis años después de anunciar su descubrimiento, el CERN detecta el tipo de desintegración más común de la partícula envuelto en ruido de fondo.

Hace diez años, la construcción de una máquina descomunal para capturar una partícula diminuta atrapó la imaginación del mundo. Bajo el CERN, un gigantesco laboratorio de física a las afueras de Ginebra (Suiza), se había construido un acelerador de partículas de 27 kilómetros de circunferencia capaz de empujar protones hasta una velocidad cercana a la de la luz. Los físicos hacían chocar aquellos haces de partículas microscópicas para reconstruir las circunstancias energéticas de los primeros segundos de vida del universo y tratar de desvelar aspectos sobre la naturaleza de la materia invisibles en condiciones normales. En aquel tiempo se llegó a fantasear con la posibilidad de que la máquina crease un agujero negro que engullese el mundo, pero salvo algún inconveniente, todo salió más o menos según lo previsto.

En 2012, los responsables del CERN anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula que daba masa a todas las demás, completaba el Modelo Estándar de Física de Partículas y justificaba en buena medida una inversión de más de 5.000 millones de euros. El éxito de la búsqueda del higgs se confirmó al año siguiente cuando Peter Higgs y François Englert recibieron el premio Nobel de Física de 2013 por haber predicho la existencia de la partícula medio siglo antes. Pero aunque el trabajo grueso parecía finalizado, la validez de unos modelos físicos o de otros, de qué es exactamente la materia oscura o de si la supersimetría, en la que no solo habría un bosón de Higgs, sino muchos, puede ser la teoría que nos lleve un paso más allá en la comprensión del universo, depende de detalles.

El artículo completo en: El País (España) 

El haz de neutrinos más potente atravesará 1.300 kilómetros de la Tierra

El chorro de partículas pasará por un gigantesco detector capaz de observar la formación de un agujero negro en tiempo real y permitirá buscar respuestas al origen del universo.

Extienda la palma de la mano. Cuente hasta tres. Un billón de neutrinos acaba de atravesar la piel, el músculo y los huesos de su mano. Estas minúsculas partículas pasan por el espacio vacío de los átomos casi a la velocidad de la luz en un viaje interestelar que no deja rastro. El Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE, por sus siglas en inglés) proyecta un nuevo acelerador y dos nuevos detectores de un haz de neutrinos que recorrerá 1.300 kilómetros por el subsuelo de Estados Unidos. La prueba puede aportar respuestas sobre el origen del universo.
 
Los neutrinos son tan ligeros y escurridizos que pueden atravesar un año luz de plomo macizo sin despeinarse. Y, sin embargo, los científicos han conseguido atraparlos. A cien metros bajo tierra, en un laboratorio a las afueras de Chicago (EE UU) existe una cueva que alberga un contenedor metálico del tamaño de un autobús, repleto de luces, instrumentos de medición y cables. Es un detector de neutrinos.

Estas partículas subatómicas ostentan varios récords en el campo de la física. Son los corpúsculos de materia más abundantes del universo y, a pesar de ello, siguen siendo un rompecabezas. Esto es porque también son los más pequeños, lo cual impide estudiarlos directamente. Nadie sabe cuál es su masa, pero los experimentos indican que debe de ser al menos 100.000 veces menor que la del electrón, que es la siguiente partícula menos pesada. Además, no tienen carga eléctrica, por lo que raramente interactúan con otros cuerpos.

Aunque los neutrinos pueden venir de muchos sitios —como las estrellas o los plátanos—, su mayor fuente terrestre es un acelerador de partículas que arroja protones contra un bloque de grafito y está cerca de esa cueva de EE UU, en las instalaciones del laboratorio de ciencia básica Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory). Los científicos creen que estas partículas podrían ser la clave para descubrir física más allá del Modelo Estándar, el marco teórico incompleto que describe el comportamiento de la materia.

Un detector más grande que el de Chicago se encuentra enterrado a 800 kilómetros de distancia, en la mina Soudan del estado de Minessota. Juntos forman el experimento NOνA. Los científicos estadounidenses han creado el haz de neutrinos —que atraviesa el detector cercano y el lejano, además de toda la materia de la corteza terrestre que los separa— para tener las mejores posibilidades de observar estas partículas y de estudiar su extraño comportamiento. Los neutrinos son como fantasmas, invisibles a los instrumentos de la ciencia, pero muy de vez en cuando alguno colisiona con un átomo del fluido que hay dentro de los detectores. Esto produce partículas con carga eléctrica que dejan rastros visibles. Encontrarlos, entonces, se convierte en cuestión de cifras: cuanto más denso sea el chorro que sale del acelerador, mayor probabilidad hay de que algún neutrino choque contra un átomo en el detector.

Pero NOνA es solo el principio. Esta instalación, que desde 2014 es el mayor experimento de neutrinos de larga distancia, está abriendo camino para algo mucho mayor: DUNE. Un nuevo acelerador y un nuevo detector serán el punto de partida para un haz de neutrinos que viajará desde Fermilab hasta el Centro de Investigación Subterráneo de Sanford (SURF), en Dakota del Sur. Allí, a un kilómetro y medio de profundidad, los investigadores de la colaboración internacional DUNE pretenden enterrar el mayor detector de la historia: cuatro módulos del tamaño de una piscina olímpica cada uno, pero seis veces más profundos, rellenos con 17.000 toneladas de argón líquido.

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El País (Ciencia)