Otras partículas subatómicas
LOS
FOTONES
En el
siglo XVII, Isaac Newton defendió la teoría que afirmaba que la luz son
partículas. En esos mismos años, Huygens y Hooke (rivales de Newton) apoyaron
la hipótesis que decía que la luz es una onda.
A pesar
de que parezcan completamente distintas, ambas teorías fueron esenciales para
que Albert Einstein, entre 1905 y 1917, desarrollara el concepto de fotón, al que originalmente llamó
“cuanto de luz”.
La luz está formada por fotones. Por tanto, podemos
definir al fotón como una partícula de luz que se propaga en el
vacío, y que es portadora de todas las formas de radiación
electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos
X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y
las ondas de radio.
El concepto de fotón es necesario para
explicar el fenómeno fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz
tenga carácter de partícula. Con el concepto de fotón se han llevado a cabo
avances muy importantes en la física teórica y experimental, y se han creado
inventos como el láser.
Además, los fotones se aplican en muchas otras áreas, como la
fotoquímica, el microscopio fotónico y la medición de distancias moleculares.
LOS
QUARKS
Hasta la
mitad del siglo pasado, la física de las partículas era relativamente simple.
Las únicas partículas atómicas elementales conocidas eran el electrón (cargado negativamente), el protón (cargado positivamente), el neutrón
(sin carga) y el neutrino. Pero la
mejora de los medios de detección ha permitido conocer la existencia de un
número increíble de partículas diferentes. Esto sugería la existencia de
partículas aún más elementales cuyas diferentes combinaciones serían las
responsables de semejante variedad de partículas.
Los
progresos teóricos en los años sesenta condujeron a los físicos a la conclusión
de que protones y neutrones eran, de hecho, sistemas complejos que poseían una
estructura interna, y que estaban constituidos por partículas más elementales
que llamaron “quarks”. Estos trabajos mostraron que debían existir seis tipos
de quarks, que fueron llamados: up
(arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top
(cima) y bottom (fondo).
En
condiciones ordinarias, los quarks no
existen en estado aislado; se les encuentra sólo asociados en pequeños
grupos llamados “hadrones”. Existen dos tipos de hadrones: los bariones,
formados por tres quarks, y los mesones, formados por un quark y un
antiquark. Los dos bariones que constituyen los núcleos de los átomos son: el
protón, formado por dos quarks “up” (arriba) y un quark “down” (abajo), y el
neutrón, constituido de dos quarks “down” y un quark “up”.
LOS
LEPTONES
Además de
los quarks, se encuentra una segunda categoría de partículas elementales: los
leptones. Los dos ejemplos más conocidos son el electrón y el neutrino. El
electrón es una partícula de carga negativa que ayuda a los protones y
neutrones a formar átomos. El neutrino es una partícula que interactúa muy poco
con la materia ordinaria.
Los
quarks, junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la
materia.
¿Qué
es un acelerador de partículas?
Los
físicos, hasta el siglo XX, aún estudiaban las propiedades de la materia
macroscópicamente. Fue a finales del siglo XIX que los científicos mostraron
interés por el mundo atómico y de las moléculas. En estas épocas por así
decirlo la moda eran otros tipos de ciencias, no la física experimental, pues todavía
no existían los medios necesarios para comprobar teorías y llevarlas a la
práctica.
Al
acelerador de partículas podría considerárselo como el mayor juguete de los físicos,
pues supera en tamaño, complejidad… A cualquier otro.
El acelerador de
partículas utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas
hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta
manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy
inestables y duran menos de un segundo. Esto permite estudiar más a fondo las
partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas
(estudiar el mundo subatómico y descubrir nuevas partículas). Los aceleradores
de partículas imitan, en cierta forma, la acción de los rayos cósmicos sobre la
atmósfera terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partículas exóticas
e inestables.
Sin
embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho más controlado para estudiar
estas partículas generadas, y su proceso de desintegración.
La mayoría
de aceleradores constan de estas partes
básicas:
-Una fuente
de partículas elementales ionizadas.
-Un tubo con
un vacío parcial donde se desplazan las partículas.
-Un sistema para aumentar la velocidad de
dichas partículas.
-Un anillo de almacenamiento (este último no
es preciso en todos los aceleradores).
Entre todos los aceleradores de
partículas existen dos tipos distintos:
El acelerador lineal
también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador en el cual
las partículas son aceleradas a lo largo de una trayectoria recta sobre una
línea, lo que hace que el tiempo disponible para el aceleramiento y la energía
lograda por las partículas se vean limitados por las dimensiones de las que
dispongan las instalaciones o simplemente del aparato, a diferencia de los
circulares, que permiten que las partículas viajen muchas veces a lo largo de
una circunferencia.
ACELERADORES CIRCULARES
En un
acelerador circular, las partículas se mueven en una trayectoria casi circular
hasta alcanzar la energía necesaria. Esa trayectoria se consigue usando
potentes campos magnéticos. La ventaja sobre los lineales es que de esa forma
podemos mantener una continua aceleración, dado que las partículas pueden
circular todo el tiempo que se necesite. Otra ventaja es que son relativamente
más pequeños que los aceleradores lineales de potencia semejante.
Dependiendo
de la energía y del tipo de partículas aceleradas, los aceleradores circulares
diseñados para la Física de Partículas tienen la desventaja de emitir radiación
sincrotrón. Esto provoca una continua pérdida de energía y los problemas
asociados a la presencia de este tipo de radiación.
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EL
GRAN COLISIONADOR DE HADRONES
El Gran Colisionador de
Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el mayor acelerador de partículas
del mundo. En este experimento, los físicos del Laboratorio Europeo de Física
de Partículas hacen chocar entre sí partículas subatómicas (principalmente
protones, uno de los constituyentes del núcleo del átomo) en puntos
seleccionados donde se ubican grandes detectores. Estos registran las
partículas resultantes de las colisiones para estudiar los elementos que
componen la materia de la que está hecho el Universo, incluidos nosotros
mismos, y sus interacciones.
Situado
en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra, el LHC es un anillo de 27
kilómetros de circunferencia ubicado a 100 metros bajo tierra. Es una de las
máquinas más complejas construida nunca: cuenta con 9.300 imanes
superconductores, fundamentales para hacer girar los haces de partícula.
Fue
inaugurado en 2008, pero no empezó a funcionar hasta finales de 2009. En 2010
alcanzó los 7 teraelectrovoltios (TeV) de energía de colisión entre partículas,
la mayor registrada en un experimento de este tipo.
El LHC se mantendrá operativo al
menos 15 años. En ese tiempo, los científicos esperan obtener datos suficientes
para profundizar en el conocimiento del origen y formación del Universo.
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