DE HADRONES EXÓTICOS A FÍSICA MÁS ALLÁ DEL MODELO ESTÁNDAR DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS

Por: Antonio Morales García/ Facebook: iscariot.cioran

TRES DESCUBRIMEINTOS EN EL LHC QUE PODRÍAN CAMBIAR NUESTRA COMPRENSIÓN DEL UNIVERSO COMO LO CONOCEMOS.

HADRONES EXÓTICOS

Este año el detector de partículas del colisionador más grande del mundo ubicado en las instalaciones del CERN en Suiza, el LHCb, ha hecho una serie de descubrimientos muy interesantes, 4 nuevos estados hadrónicos de una variedad singular de hadrones conocido como tetraquark, hasta las trazas de lo que podría ser evidencia de física más allá del modelo estándar. Para poder explicar de mejor manera estos 3 descubrimientos dividiré en 3 artículos la importancia y la implicación de cada uno de ellos, pues del mismo modo son descubrimientos que tienen características totalmente independientes, pero al final se podrá comprender la relación intrínseca de cada uno de ellos.

El descubrimientos de los 4 nuevos estados hadrónicos de los tetraquarks es algo relativamente común, desde su inauguración en septiembre del 2008 el LHC ha descubierto 59 tipos de hadrones exóticos, entre tetraquarks, pentaquarks y dibariones. Estos estados hadrónicos exóticos se suman al zoo de partículas compuestas conocidos como mesones y bariones, la diferencia radica en que los mesones se componen de un par quark antiquark y los bariones de 3 quarks. Los estados hadrónicos exóticos como podemos notar se dan por contener más quarks que en los mesones y bariones, esto los vuelve aún más inestables, con periodos de vida extremadamente cortos, de fracciones de milisegundos, y las manera en que se producen, es bajo condiciones controladas en colisiones no elásticas de protones en aceleradores de partículas, como en el LHC, aunque también podrían ocurrir en súper novas u otros eventos astronómicos excepcionales como al interior de estrellas de neutrones o en los núcleos de estrellas muy masivas.

La rareza de los tetraquarks los hacen difíciles de investigar, pero conocer de su existencia, ver las trazas de sus componentes en los aceleradores de partículas ayuda a comprender y completar muchos vacíos que hay en la física de partículas. Si bien su existencia no altera la física conocida o el universo como lo conocemos, sí nos bridan la posibilidad de conocerlo mejor y poder completar teorías y simetrías que nos llevarían a la detección de otras partículas más fundamentales predichas por el modelo estándar, poder ubicar la materia perdida, o en algún momento, poder saber dónde buscar las trazas de la esquiva materia oscura.

En esta serie de 3 artículos haremos un recorrido por el mundo de la física de partículas que nos ayude a entender de manera sencilla la importancia del tercer descubrimiento de este año en el LHCb, que es el candidato a abrir el espectro de visión y conocimiento a una física más allá de los l{mites conocidos. Así que para quienes inician o son ajenos o aficionados a la física de partículas y la mecánica cuántica, haremos un entretenido y breve recorrido por el modelo estándar de la física de partículas para poder ampliar la comprensión sobre los conceptos y las partículas que envuelven a este, el modelo más preciso que nos describe el universo en el que vivimos.

EL MODELO ESTÁNDAR

Se conoce con este nombre a una de las teorías que agrupa y define y describe el funcionamiento de algo más fundamental; los campos cuánticos. Las partículas fundamentales contenidas en el modelo estándar son uno de los dos posibles estados de los campos cuánticos; uno es el vacío y el otro es la excitación del vacío. Al excitar el vacío, es decir al excitar una región del universo a una energía determinada, de ésta pueden emerger partículas ya sean compuestas o fundamentales. El modelo estándar cuenta hasta ahora con un conjunto de partículas que describen y predicen el universo en el que vivimos con mucha precisión y aún así hay cosas muy fundamentales que no explica el mismo modelo, por ejemplo, no puede explicarse a sí mismo, no puede explicar aún por qué cada partícula que lo compone tiene las cualidades intrínsecas que posee, puede calcular todos los números cuánticos pero no explicar por qué son así, por qué tienen la masa que tienen, o la carga eléctrica o de color o extrañeza que poseen, estos son algunos vacíos que tiene la teoría que no la hacen imperfecta como tal, sólo nos indica que hay más física por descubrir.

El modelo estándar se divide en dos tipos de partículas fundamentales por diversas razones que van desde la manera en que se comunican o interaccionan hasta cualidades intrínsecas como el momento angular de cada una de ellas, esto ha llevado a categorizar las partículas según estas cualidades. Los dos tipos de partículas son bosones y fermiones. Los bosones son las partículas asociadas a las interacciones de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, son como muelles que actúan como acoplamientos para que se pueda producir interactividad entre las partículas fermiónicas y cada una de las partículas bosónicas tiene una función específica. Los bosones se podrían considerar por analogía como el pegamento que mantiene unidos a los ladrillos que componen la realidad física en la que vivimos, estos ladrillos, son por consiguiente, los fermiones.

BOSONES

Las fuerzas fundamentales de la naturaleza conocidas hasta ahora son 4, de dos de ellas podemos sentir y ser conscientes de sus efectos porque actúan a gran escala, y de las otras dos no podemos percibir sus efectos porque actúan a escalas subatómicas.

Las dos que podemos sentir son la fuerza electromagnética y la fuerza de gravedad. Las dos que no podemos percibir son la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

A partir de este punto podemos comenzar a percibir algunos problemas que presenta el modelo estándar, sin que exista alguna contradicción o sin que sea inconsistente ni asimétrica, pues el modelo estándar tiene como regla fundamental la simetría de las energías de todas las partículas que lo componen. El modelo estándar considera sólo 3 de las fuerzas fundamentales conocidas, esto debido a que en todos los colisionadores sólo se han obtenido  partículas asociadas a esas interacciones. La partícula asociada a la gravedad jamás ha sido vista o detectado algún rastro o traza de su existencia por detección directa o indirecta en ninguna colisión, y aunque matemáticamente el modelo estándar predice su existencia y sería teóricamente compatible y simétrica con el modelo, cabe la posibilidad de que a las escalas de energía a las que han llegado los grandes colisionadores la gravedad no sea una fuerza fundamental, es decir, no se ha podido llegar una teoría de la unificación de la gravedad y la cuántica porque parece ser que a ciertas escalas de energía la gravedad es totalmente irrelevante, y es que la gravedad, de todas las fuerzas es la más débil, así que hacer cosas con ella por debajo de los milímetros es ya bastante complicado, a escalas de energía medidas en electronvoltios supone una proeza que no ha sido posible lograr aún.

Si bien sí que se puede cuantizar la gravedad, existen las matemáticas para ello, no se ha podido unificar en una teoría del todo, pues la partícula asociada a la gravedad, el Gravitón ha eludido todos los intentos por ser detectada, lo que lleva a pensar que su relevancia en las escalas de energía que se manejan a nivel cuántico podría prescindirse de ella, pero a escalas de energía todavía mayor podría comenzar a volverse relevante, o al menos es lo que sugieren las matemáticas.

Pero de las otras tres fuerzas sí que conocemos bastante bien  sus partículas asociadas a su interactividad. El electromagnetismo, la fuerza más fuerte de todas las que conocemos hasta ahora, usa como partícula mediadora al Fotón. Esta partícula sólo interactúa con partículas cargadas eléctricamente con energía positiva o negativa.

La fuerza Nuclear Débil tiene dos partículas asociadas a su interactividad, los llamados bosones de Gouche; Bosón W+/- y Bosón Z. estas partículas interactúan con todas las partículas fermiónicas y sí bien lleva el nombre de fuerza Nuclear Débil, esto es únicamente porque sólo se ven sus efectos a distancias muy cortas, pues son las partículas encargadas del intercambio de energía entre partículas durante los procesos de desintegración, aniquilación o decaimiento en los jets o cascadas de partículas en las colisiones de hadrones o en las fusiones nucleares de las estrellas o estrellas de neutrones. Es decir cuando una partícula compuesta, un hadrón o una partícula fundamental masiva e inestable como el Quark Top se aniquila o decae, las partículas de la energía nuclear débil sirven como muelles o acoplamientos y se encargan de transformar esa energía en otras partículas menos masivas conservando siempre la energía inicial de la partícual que se desintegra y según el tipo de degradación, Alfa, Beta o Gama.

La Fuerza Nuclear Fuerte tiene como partícula mediadora asociada a su interactividad  al Gluón (que realmente son ocho tipos de gluones regidos por la QCD o cromodinámica cuántica –de la que hablaremos en el segundo artículo más profundamente- dentro del régimen no perturbativo) y esta partícula sólo interacciona con las partículas fundamentales llamadas Quarks para realizar su proceso natural de confinamiento conocido como hadronización, este proceso y cualidad intrínseca llevado acabo entre esta fuerza y estas partículas ocurre a una escala de tiempo increíblemente corta, casi bestial que impide que los Quarks puedan vivir aislados, es decir, siempre tiene que haber un Quark junto a otro Quark, los pares Quark antiQuark o otras combinaciones de pares de quarks, forman los llamados mesones, y lo tríos de quarks forman los llamados bariones entre los que están los que conforman los nucleones y núcleos atómicos, los protones y neutrones, y luego están los más exóticos de los hadrones vistos, 4, 5 y seis quarks en confinamiento. Que son los que nos tienen hoy aquí en este brevísimo artículo. Hemos de decir que, como en casi todo siempre hay excepciones a la regla, y los Quarks lo logran, uno de los Quarks, el más pesado el llamado Quark Top es el único de todos ellos que puede escapar al confinamiento, aniquilándose en un periodo de tiempo más corto que el necesario para que los gluones lo confinen con un par antiQuark u otro Quark, cediendo su energía para formar partículas más pequeñas y energía radiante.

FERMIONES

Las partículas fermiónicas se dividen en dos tipos y cada una de ellas cuenta con cualidades intrínsecas muy peculiares, no nos detendremos mucho a hablar de cada una de esas cualidades y nos vamos a centrar solo en uno de los dos tipos de fermiones que existen, pues son los necesarios para poder comprender los hadrones exóticos. Los fermiones se dividen en Quarks y Leptones, hay seis variedades o sabores de Quarks divididos en tres generaciones asociados a las 6 variedades o sabores de leptones divididos en las mismas 3 generaciones.

La primera generación de Quarks son también los de masa más pequeña y por lo tanto son los más estables, y las otras dos generaciones son primos de la primera pero mucho más masivos y por consiguiente inestables. La primera generación de Quarks está compuesta por el Quark Up (arriba) y el Quark Down (abajo), esta primera generación también se asocia a la primera generación de Leptones que son el Electrón y el Neutrino Electrónico, la segunda generación son el Quark Charm (encanto) y el Quark Strange (extraño) y los Leptones son el Muón y el Neutrino Muónico. Y por último la tercera generación son el Quark Top (Cima) y el Quark Bottom (Fondo) y los leptones son el Tauón o Tau y el Neutrino Tauónico o Tau. Estas doce partículas fermiónicas  son por decirlo de un modo muy simple la materia que compone el 4.9% de la materia que compone el universo visible, el universo bariónico, y lleva ese nombre debido a que estamos hechos principalmente de la variedad de hadrones conocidos como bariones, de los dos más pequeños y estables compuestos por 3 Quarks; el Protón que contiene dos Quarks Up y uno Down y el Neutrón que contiene dos Quarks Down y uno Up, estos estados de la materia llamados bariónicos son los más pequeños y estables que existen, estos forman los núcleos atómicos que ligados a las fluctuaciones de los electrones que los componen forman los elementos químicos de la tabla periódica formando así todo lo que es visible y tangible en el universo, apenas el 4.9% de su contenido, el resto se divide entre el 26% de Materia Oscura (de la que hablaré en el tercer artículo y el 69% restante de Energía Oscura, aún estamos muy lejos de poder saber qué es la energía oscura, para ello necesitaríamos poder determinar la naturaleza cuántica del espacio tiempo, y las escalas de energía que manejamos nos llevan a infinitos y singularidades, indicios de que aún hay mucha física por descubrir.

Pero lo que nos tiene hoy aquí es el descubrimiento de estos estados hadrónicos exóticos descubiertos en el LHCb que suman a la fecha 59, nada comparado con el Zoo de partículas compuesto por mesones y bariones. Estos estados hadrónicos os indican diversas cosas, primero que nada que la aturaleza aún tiene muchas cosas ocultas, formas de distribución de la materia como no habíamos sido capaces de observar. Sabemos bien que entre el 4.5 y el 5 por ciento del contenido del universo está compuesto de materia bariónica, pero no toda esta ha sido detectada y hay algo que se llama la materia perdida, estos estados hadrónicos podrían ayudar a comprender cómo es que en los grandes vacíos del universo podría estar esparcida u oculta esta materia faltante. Los bariones dispersos en el universo ayudan a las mediciones más precisas del espacio, así como las súper novas también son marcadores de estas distancias cósmimas la detección de bariones sueltos en el universo ayuda a ir completando esta materia restante y medir con mayor precisión la profundidad del espacio, si el universo crea en diversos escenarios estos estados hadrónicos que, si bien se desintegran rápidamente convirtiéndose en otras partículas más pequeñas y energía radiante al final, esa energía puede ser los marcadores necesarios para la detección una física más allá, calcular toda la materia perdida del universo puede ayudar a buscar con mayor precisión las trazas de la energía oscura o puede ayudar a eliminar las impurezas en su detección en el fondo de radiación de microondas y entre más estados hadrónicos exóticos se vayan descubriendo se va cerrando cada vez más la brecha de la detección de física más allá del modelo estándar.

En el siguiente artículo hablaremos más profundamente de estos tetraQuarks, la Cromodinamica Cuántica y el segundo descubrimiento de este año, una partícula predicha hace casi 50 años, el Odderón.