Categoría: Física

Vamos a continuar con nuestra difícil pero interesante aventura en el mundo de la física de partículas. Para los que quieran ponerse al día deberían revisar los artículos anteriores:

• Modelo Estándar – Números Cuánticos – Parte 3
• Modelo estándar – Conservación de Energía y Carga – Parte 2
• Modelo Estándar – Neutrones, protones y Quarks – Parte 1
• Las cuatro fuerzas fundamentales
• Física de partículas – Introducción

En esta ocasión vamos a hacer un primer intento de clasificación de partículas.

Ya habíamos presentado a los Quarks up y down que forman los neutrones y protones. Además sabemos que pueden existir en tres variedades de color. Pero esto solo son los quarks que encontramos en la naturaleza, pero en los inicios del universo, en los aceleradores de partículas y otros casos extremos se pueden crear también quarks charm, strange, top y bottom en todas sus variedades de color. Haciendo un simple cálculo vemos que pueden existir 18 tipos de quarks. Recordad también que los quarks se mantienen unidos en el núcleo gracias a la Fuerza nuclear fuerte.

En nuestra vida diaria toda la materia está formada por quarks up y down, pero también intervienen los electrones y los neutrinos de los electrones. Éstos son otro tipo de partículas a las que no les afecta la Fuerza nuclear fuerte. Los electrones sabemos que dan vueltas a los nucleos de los átomos, mientras que los neutrinos son unas partículas minúsculas que no interaccionan con casi nada. De hecho, ahora mismo estás siendo atravesado por miles de millones de neutrinos sin que lo notes, por muy raro que os pueda sonar.

Por lo tanto en la vida diaria vemos materia constituida por quarks up, down, electrones y neutrinos. Aparte de las partículas mediadoras de las fuerzas.

Para terminar con la primera tabla, tenemos los muones y los tau que son como electrones pero mucho más masivos. Sólo existen en los aceleradores de partículas y en reacciones de altas energías que se puedan dar en estrellas o fenómenos estelares. El muón y el tau también tienen su correspondiente neutrino.

Además recordad que cada una de las partículas explicadas tiene su antipartícula.

En la lección anterior aprendimos el primer número cuántico: la carga eléctrica. Pero existen otros números cuánticos cuya propiedad principal es que se conservan en cualquier reacción. Otra cosa importante de los números cuánticos es que son discretos, es decir, no se corresponden con números reales.

El número bariónico es el siguiente número cuántico que vamos a estudiar. Tanto el Protón como el Neutrón tienen +1 como número bariónico. Mientras que el electrón, el positrón y el neutrino tienen 0. Por lo tanto, un neutrón (+1) no se puede transformar en un electrón (0) y un positrón (0) porque no se conservaría el número bariónico. Pero, por ejemplo, un neutrón(+1) podría transformarse en un protón(+1), un electrón(0) y un antineutrino(0); porque se conserva el número bariónico.

Por ejemplo en el acelerador LHC que se está construyendo actualmente en el CERN. Que será la máquina más grande jamás creada por el hombre (27 km de diámetro) acelerará Protones a altas energías y los hará chocar.

Esquema del LHC. Como véis el tunel está bajo tierra a 100 metros y hay varios detectores colocados alrededor de los 27 km del anillo.

Si hacemos colisionar 2 protones podría pasar lo siguiente:

proton (+1) + proton (+1) -> proton (+1) + proton (+1) + neutron (+1) + antineutron (-1)

Vemos que la suma inicial del número bariónico es 2 y la final también. Podéis también comprobar que se conserva la carga eléctrica.

El Color es otro número cuántico muy importante que debemos aplicar a los Quarks. Hay tres números cúanticos relacionados con el color, el rojo, el azul y el verde. No existen Quarks neutros, todos tienen un color. Además, al igual que tenemos cargas negativas también tenemos colores negativos: antirojo, antiazul y antiverde, estas cargas solo existen en los antiquarks. Vamos a terminar explicando lo que es una antipartícula:

Una antipartícula se corresponde con una partícula pero cambian sus números cuánticos. Por ejemplo, un protón tiene carga +1, por lo que un antiprotón tiene carga -1. Las antipartículas no se suelen encontrar en la naturaleza. Pero aquí en el CERN, en el laboratorio de antimateria donde trabaja Verena se producen cada día unos 200 átomos de antihidrógeno que están compuestos por un núcleo que tiene un antiprotón.

El único laboratorio de antimateria del mundo.

Vamos a describir en esta ocasión una serie de leyes muy importantes que rigen el comportamiento de toda la materia.

Conservación de la Energía

En toda reacción la energía inicial debe ser exactamente igual a la energía final. Una partícula con una cierta masa (m) tiene una cantidad de energía dada por la famosa ecuación de Einstein: E=mc^2 (Donde E es la Energía, m la masa y c la velocidad de la luz). Aquí vemos como en cierta manera la Energía y la Masa «son lo mismo».

Por ejemplo, si tenemos una partícula con una masa de 100 MeV (Mega electron-voltios – unidad de medida de masa-energía de las partículas subatómicas) no podrá nunca transformarse en dos partículas que sumen más de 100 MeV.

Vamos a comenzar a aplicarlo de forma práctica con un ejemplo de reacción radioactiva bastante común en el universo conocida como Beta Decay:

Neutron (939.57 MeV) -> Proton (938.27 MeV) + Electron (0.511MeV) + Antineutrino ( Masa casi inapreciable)

(No os preocupeis por ahora con el Antineutrino, ya lo explicaremos)

Si sumamos las masas de la derecha obtenemos 938.78 MeV que es un poco menos de lo que teníamos al principio con un Neutrón. Vemos que se ha perdido algo de masa debido a que se ha transformado en energía cinética (Energía del movimiento) del protón, el electrón y el antineutrino al final de la reacción.

Pregunta para los seguidores del cursillo de física. ¿Por qué el Neutrón tiene más masa que el Protón?

Conservación de la Carga

Además de la Energía/Masa también se conserva la carga eléctrica final de la reacción. Un concepto muy importante que debemos saber es que las cargas de las partículas siempre son discretas, o como dicen los físicos, las cargas están cuantizadas. Veamos algunos valores típicos:

• Electrón (e) : -1
• Protón (p) : +1
• Neutron (n) : 0
• Neutrino / Antineutrino (v) : 0
• Quarks (q) : múltiplos de 1/3

Volvamos al ejemplo anterior para comprobar si se conserva la carga:

Neutron ( 0 ) -> Proton (+1) + Electron ( -1) + Antineutrino ( 0 )

Como véis la carga inicial es igual a la carga final. Los físicos consideran a la carga eléctrica como un número cuántico.