INTERACCIONES DE PARTICULAS

Cuando un electrón (procedente de un Sincrotón, por ejemplo), incide sobre un protón, ambos internacionan entre sí por estar cargados eléctricamente. En el Electromagnetismo "clásico" de Maxwell, la interacción de ambos está mediada por el campo electromagnético: el campo electromagnético creado por el electrón al moverse, actúa sobre el protón, acelerándole, y recíprocamente.

Este proceso no puede estudiarse dentro de este marco clásico, ya que la pequeñez de las partículas nos obliga a utilizar la teoría Cuántica: al aproximarse ambas partículas, cada una de ellas emite un fotón que se propaga y es absorbido por la otra partícula, separándose tras ello. El campo electromagnético está constituido por fotones: así aparece el cuanto de radiación electromagnética que llamamos fotón, y que tiene energía y momento como el electrón, pero carece de masa y se mueve a la velocidad de la luz.

Como consecuencia de la emisión y absorción del cuanto de radiación, o partícula mediadora de la interacción, , que transporta energía y momento de una partícula a la otra, tanto el protón como el electrón se desvían. El alcance de la interacción electromagnética es teóricamente infinito (en la práctica, muy largo) debido a que el fotón tiene masa nula.

Actualmente, existen modelos que incorporan principios de la Relatividad Especial con los de la Mecánica Cuántica, los TCC (Teoría Cuántica de Campos relativistas), proporcionando una descripción teórica en las que las partículas elementales son consideradas como objetos puntuales. Uno de ellos es la Electrodinámica Cuántica (QED), que estudia las interacciones electromagnéticas de objetos puntuales, tales como electrones, positrones y quarks. Como ejemplo de su bondad, baste decir que las predicciones teóricas y los valores medidos experimentalmente, coinciden en las ocho primeras cifras decimales.

Consideremos la interacción de dos electrones: la repulsión que sufren será mediada de la manera más simple por el intercambio de un fotón. Este proceso, como cualquier otro en TCC, puede representarse gráficamente mediante un diagrama llamado de Feynman, en honor a su autor. El cálculo de muchos de estos diagramas da valores infinitos, aunque las magnitudes físicas sean finitas. En esta teoría, se redefinen los parámetros físicos carga y masa en un proceso que se denomina "renormalización", para obviar los infinitos. Una teoría a la que no pueda aplicarse este procedimiento, tiene un poder predictivo nulo, y hay que desecharla. De aquí el éxito de la Electrodinámica Cuántica, que es renormalizable y que, una vez renormalizada, concuerda con la experiencia.

La Electrodinámica Cuántica es la Teoría Cuántica de Campos relativistas más sencilla que es invariante "gauge". Veamos lo que se entiende por invariancia o simetría "gauge". La QED es relativista, luego el tiempo se considera como la cuarta dimensión. La estructura de la QED, y por tanto sus ecuaciones, es invariante, es decir, las ecuaciones mantienen su forma si en cada punto del espacio-tiempo exterior efectuamos una rotación arbitraria alrededor de un círculo. Matemáticamente, estas rotaciones alrededor de un círculo, forman lo que se llama grupo U(1), y se dice entonces que la Electrodinámica Cuántica es una teoría de campos invariante gauge, con simetría U(1). Es también gracias a esta invariancia que la teoría es renormalizable, y que la masa del fotón es nula.

El neutrón aislado no es una partícula estable, como lo es el protón, sino que se desintegra en un proceso que llamaremos desintegración beta, al cabo de unos 20 minutos. Esta desintegración es debida a una nueva interacción que llamaremos débil. W. Pauli, en 1930, hizo la hipótesis que el proceso real de desintegración beta del neutrón es:

n = p + e- + antielectrón neutrino.

Otros procesos de desintegración están mediados por interacción débil. Los piones, como ya vimos anteriormente. Los muones, en electrones + muones neutrino+antimuones neutrino. Las llamadas partículas extrañas K o kaones, en muones + muones neutrino o pi+

+pi°, y otras como lambda°, sigma+, sigma-, sigma°, cascada- y cascada°.

Siguiendo los pasos de la Electrodinámica Cuántica, llamaremos partículas W+ y W- a los cuantos (cargados) mediadores de la interacción débil. También, apoyándonos en la QED, podemos concluir que las interacciones débiles están descritas por una teoría gauge con una invariancia formal SU(2), y por analogía con la teoría de Yukawa, añadir un tercer cuanto de interacción de carga eléctrica nula, la partícula Zº. Los tres cuantos mediadores tendrían spin igual a 1, y por tanto serían bosones.

En la década de los 60, se desarrolló un Modelo, llamado de Weinberg y Salam, que describe conjuntamente las interacciones electromagnéticas y débiles. El modelo es una teoría gauge en la que ambas interacciones participan cada una con su propia intensidad, medida por la constante de acoplamiento. En 1973, en el CERN (Suiza), se puso de manifiesto, indirectamente, la existencia de Zº. En 1983, en el SPS del CERN, dos grupos experimentales hicieron colisionar haces de protones y antiprotones, con energías de 270 GeV cada uno. El resultado fue espectacular: los bosones W+, W- y Zº fueron hallados experimentalmente de forma concluyente, y se midieron sus masas: 81 y 93 GeV/c2. C.Rubbia, director de uno de los grupos, fue galardonado con el premio Nobel en 1984.

A pesar del éxito de la Teoría Weinberg-Salam, no todo estaba resuelto satisfactoriamente, pues en sus términos iniciales corría el peligro de ser no renormalizable, y por lo tanto, perder su poder predictivo. El problema se resuelve modificando adecuadamente la Teoría, de forma que las ecuaciones sigan siendo invariantes, pero las soluciones a ellas no lo sean. A este procedimiento se le llama "rotura espontánea de la simetría". Ello se consigue introduciendo teóricamente unas nuevas partículas de spin igual a cero, conocidas como bosones de Higgs; mediante este procedimiento se consigue, simultáneamente, que la Teoría sea renormalizable y que las masas de W+, W- y Zº sean distintas de cero, manteniendo la masa del fotón nula.

Las partícula de Higgs se detectó el 4 de Julio de 2012, siendo su descubrimiento el espaldarazo final a la Teoría del Modelo Estándar de Física de partículas. El bosón de Higgs es una partícula especial. Es la manifestación de un campo que da masa a las partículas elementales. Pero este campo también le da masa al bosón de Higgs. Una medición precisa de la masa del bosón de Higgs no solo amplía nuestro conocimiento de la Física, sino que también arroja nueva luz sobre las búsquedas planificadas en futuros colisionadores.

Desde el descubrimiento de esta partícula única en 2012, las colaboraciones de ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN han estado ocupadas determinando sus propiedades. En el modelo estándar de Física de partículas, la masa del bosón de Higgs está estrechamente relacionada con la fuerza de la interacción de la partícula consigo misma.

La comparación de mediciones precisas de estas dos propiedades es un medio crucial para probar las predicciones del Modelo Estándar y ayuda a buscar Física más allá de las predicciones de esta teoría. Además de probar su fuerza de "auto-interacción", los investigadores también han prestado especial atención a la masa exacta del bosón de Higgs.

Cuando se descubrió por primera vez, la masa de la partícula se midió en alrededor de 125 gigaelectronvoltios (GeV), pero no se conocía con alta precisión. Se necesitaba un análisis de muchos más datos antes de reducir los errores en dicha medición.

De hecho, ATLAS y CMS han estado mejorando esta precisión con sus respectivas mediciones a lo largo de los años. El año pasado, ATLAS midió la masa de Higgs en 124.97 GeV con una precisión de 0.24 GeV o 0.19%. Ahora, la colaboración de CMS ha anunciado la medida más precisa hasta ahora de esta propiedad: 125.35 GeV con una precisión de 0.15 GeV, o 0.12%.

Como la mayoría de los miembros del zoológico de partículas conocidas, el bosón de Higgs es inestable y se transforma, o "se descompone", casi instantáneamente en partículas más ligeras. La medición de masa se basó en dos transformaciones muy diferentes del bosón de Higgs, a saber, la descomposición en cuatro leptones a través de dos bosones Z intermedios y la descomposición en pares de fotones.

Para llegar al valor de la masa, los científicos combinaron los resultados de CMS de estas dos desintegraciones de dos conjuntos de datos: el primero se registró en 2011 y 2012, mientras que el segundo se produjo en 2016. La existencia de núcleos atómicos, teniendo en cuenta que los protones son positivos, sería imposible si no existieran unas fuerzas que impidiesen las repulsiones eléctricas.

Ha de existir, necesariamente, una fuerza que mantenga protones y neutrones unidos cuando se mueven dentro del volumen nuclear, es decir, a cortas distancia del orden de un fermi. Esta fuerza es debida a una nueva interacción llamada interacción fuerte, de carácter esencialmente diferente a la electromagnética.

En 1935, H.Yukawa formuló una interesante analogía entre las interacciones electromagnética y fuerte, conjeturando que la interacción fuerte era debida al intercambio de una nueva partícula entre nucleones (protones y neutrones). Esta nueva partícula portadora de la interacción fuerte recibió el nombre de mesón de Yukawa. Estimaciones teóricas de las masas de los mesones de Yukawa, así como de la intensidad de la interacción entre piones y nucleones, condujeron a la identificación de los mesones de Yukawa con los piones pi+ y pi-.

¿Hay también mesones de Yukawa eléctricamente neutros?. La respuesta es afirmativa. Hacia 1950 ya estaba confirmada la existencia de una nueva partícula con masa 135 MeV/c2: el pión neutro piº. Por lo tanto, según la Teoría de Yukawa, los tres piones eran los portadores de la interacción fuerte. El piº es inestable y se desintegra en dos fotones.

Hoy en día se acepta que la hipótesis de Yukawa, aunque correcta en muchos aspectos, tiene limitaciones, y se conoce otra teoría más fundamental de la interacciones fuertes: la Cromodinámica Cuántica. En ella, los mediadores elementales de la interacción fuerte ya no son los piones, aunque en Física de bajas energías, inferiores a 1000 MeV, gran número de situaciones físicas se pueden aproximar, en términos de estos últimos, al estudio anterior.

Siguiendo el ejemplo de la Electrodinámica Cuántica, se acepta que las interacciones fuertes vienen descritas por una teoría invariante gauge bajo el grupo de simetría SU(3), a la que se le da el nombre de Cromodinámica Cuántica (1973). Los quarks, componentes de protones y neutrones, interaccionan entre sí mediante el intercambio de unas nuevas partículas mediadoras llamadas gluones, siendo por lo tanto éstos los cuantos mediadores de la interacción fuerte. La teoría es renormalizable y tiene, por tanto, poder predictivo.

Los gluones son partículas con masa y carga eléctricas nulas y con spin igual a uno. ¿Cuántos gluones hay? En total tenemos ocho gluones en Cromodinámica Cuántica, frente a un solo fotón en Electrodinámica Cuántica. La QED es una Teoría relativamente sencilla porque el fotón no interacciona consigo mismo al no tener carga eléctrica; pro en el caso de la Cromodinámica Cuántica y los gluones es diferente, tal que éstos interaccionan entre ellos debido al "color". Se especula con la existencia de estados ligados formados sólo por gluones, los llamados glueball o bolas de gluones, que no han sido detectados experimentalmente.

Indicación indirecta de la existencia de los gluones ha sido proporcionada por la desintegración de la partícula J/Ÿ, dando tres "chorros"de hadrones a altas energías: un gluón da lugar a un chorro intermedio de quarks y antiquarks que se mueven en la misma dirección, y que, al recombinarse, originan el chorro final de hadrones observados.