Juan José Gómez Cadenas: Veinte años no es nada

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El LEP era un acelerador circular, de 27 km de longitud, situado a 100 m bajo tierra en la frontera entre Francia y Suiza. Por su interior circulaba electrones y positrones, moviéndose en sentidos opuestos y a velocidades my cercanas a c.

Veinte años no es nada. Parece increíble pensar que ya han pasado 22 desde 1990, cuando llegué al CERN, con mi contrato de investigador de plantilla recién estrenado y me incorporé a DELPHI, uno de los grandes experimentos que operaban en la gran industria científica del momento. El LEP.

LEP son las siglas de Large Electron Positron. Era un acelerador circular, de 27 km de longitud, situado a 100 m bajo tierra en la frontera entre Francia y Suiza. Por su interior circulaban electrones y positrones, moviéndose en sentidos opuestos y a velocidades my cercanas a c. LEP empezó a operar en agosto de 1989 y funcionó hasta el 2000. En su primera fase los electrones y positrones se aceleraban hasta algo más de 45 gigaelectron-volts (GeV) por haz. En su fase final, cada haz alcanzaba una energía de 104,5 GeV.

Un electrón-voltio (eV) es la energía que adquiere un electrón cuando atraviesa una diferencia de potencial de 1 voltio. Los electrones que se mueven en las capas más externas de un átomo tienen energías de ligadura del orden de unos pocos eV (es decir, pueden arrancarse del átomo si les aplicamos unos pocos eV de energía). La energía con que los protones y neutrones de un núcleo se agarran entre sí es del orden de unos cuantos millones de eV (MeV). Pero además, es posible expresar la masa de las partículas en unidades de energía, sin más que recordar la ecuacion de Einstein, E = mc2. La masa de un electrón en reposo es de 511 keV (1 keV son 1000 eV). La masa de protones y neutrones es un poco inferior a 1 000 MeV, o 1 GeV (1 GeV son mil millones de eV).

Pues bien, tanto el haz de electrones como el de positrones de LEP alcanzaban, en su fase inicial, una energía de 45,5 GeV. Cuando electrones y positrones chocaban de frente ocurría lo que siempre ocurre cuando materia y antimateria se encuentran. El electrón y el positrón se aniquilan y forman un estado de energía que suma la de ambos, esto es, 91 GeV.

Posando frente al detector DELPHI, justo antes de instalarlo en el punto de colisión. DELPHI, como los otros experimentos del CERN era una especia de cámara electrónica, capaz de reconstruir las partículas emitidas en la desintegración del Z. Tenía estructura de cebolla: los detectores más interiores, más cercanos al punto de colisión eran los más precisos.

En el LEP, esa energía se condensaba de nuevo en una partícula elemental, el Z, cuya masa iguala a la suma de la energía de los dos haces. El Z no es otra cosa que una especie de fotón con un exceso de esteroides que pesa tanto como un átomo de circonio (un poco menos que un átomo de plata). Se desintegra un instante despúes de formarse y los productos de esa desintegración (electrones, fotones, muones, taus, piones) eran registrados por gigantescos detectores como DELPHI. En LEP se estudiaron las propiedades del Z y de sus dos primos hermanos, los llamados W (que existen en versión positiva, W+ y negativa, W−).

Las tres partículas se denominan bosones vectoriales intermedios (a los físicos les encanta ponerles nombres raros a las cosas para hacerse los importantes). Los bosones se caracterizan porque es posible apilar un número indefinido de ellos en el mismo estado cuántico, cosa que no puede hacerse con los fermiones. Una manera sencilla de visualizar lo que esto quiere decir es imaginar los fermiones como pequeñas esferas rígidas e irrompibles que no pueden ocupar el mismo espacio físico a la vez. En cambio, los bosones podemos imaginarlos como ondas que pueden superponerse en un punto dado. Siguiendo esta idea intuitiva, no es sorprendente que la materia (electrones, protones, neutrones) esté hecha de fermiones y los fotones que forman la luz sean bosones.

Otra manera de imaginarnos los bosones es como partículas intermediarias, corre-ve-y-diles cuya misión en la vida es pasearse entre los fermiones llevando mensajes entre ellos. En el caso de la radiación electromagnética, recordaremos que nos vimos obligados a aceptar que se propaga en el vacío sin necesidad de un éter que la sustente. No sólo eso, sino que un electrón cualquiera ejerce una fuerza (la fuerza de Coulomb) sobre cualquier otro electrón del universo por el mero hecho de tener carga eléctrica. ¿Y cómo se propaga esa fuerza? ¿Cómo se entera un electón de que hay otro cerca? Pues bien, en física cuántica es posible describir esa fuerza entre dos electrones afirmando que ambos intercambian fotones. La imagen sería la de dos jugadores lanzándose un balón medicinal, que es el que transmite la fuerza entre ambos. Los jugadores pueden ser astronautas lanzándose el balón en el  vacío, lo que nos permite visualizar que la luz (el balón) y la fuerza que transmite (en este caso la fuerza electromagnética) se propaguen sin necesidad de éter. Más o menos.

“Fotografía electrónica” en la que el experimento DELPHI capta la desintegración de dos partículas Z.

Análogamente, la misión en esta vida del Z y sus dos primos es la de propagar la llamada interacción débil, que es la responsable de la desintegración radioactiva. Ya he hablado aquí del muón, una partícula que solo se diferencia del electrón en su masa. Un muón en reposo se desintegra en 2 microsegundos, emitiendo un electrón y dos neutrinos. La moderna teoría de las interacciones débiles (o para ser pejigueros, electrodébiles) afirma, que al igual que los electrones intercambian fotones como forma de propagar la fuerza electromagnética, un muón intercambia un W con el electrón al que se desintegra como manera de propagar la fuerza débil. Una de las patas del W se lleva la carga del muón y lo transforma en un neutrino. La otra pata saca un electrón y su neutrino del vacío. El resultado final es que el muón desparece y aparecen en su lugar un electrón y dos neutrinos.

Como el fotón no tiene masa, la interacción electromagnética es de largo alcance (recurriendo otra vez a la parábola del balón medicinal, si este es muy ligero es posible lanzarlo muy lejos). En cambio los bosones vectoriales intermedios son muy pesados, lo que se traduce en una interacción de muy corto alcance. El balón pesa tanto que los dos jugadores tienen que estar uno al lado del otro para intercambiarlo.

Por cierto, al igual que los W median la desintegración del muón (y la del neutrón en protón, o para ser más exactos, la de uno de los quarks que compne el neutrón), el Z media interacciones de partículas neutrales, por ejemplo los neutrinos. La razón por la que los neutrinos se desinteresan tanto por el resto del mundo es que solo pueden interaccionar con otros animales subatómicos intercambiando una partícula Z, ya que no tienen carga eléctrica ni sienten tampoco la interacción nuclear. En LEP era posible aniquilar un electrón con un positrón, producir un Z y que este se desintegrara neutrinos que escapaban sin interaccionar con nadie más. Algo así como transformar materia y antimateria en sus respectivas sombras. De hecho, en términos del llamado Modelo Estándar (esto es, el modelo matemático que describe las interacciones de las partículas elementales, una da las catedrales de la ciencia moderna, que como toda catedral también tiene sus alcantarillas), las partículas elementales se agrupan en familias y en los llamados dobletes de isoespín (más palabrejas raras).

Lo de que las partículas se agrupen en familias quiere decir, literalmente, que la naturaleza ha hecho tres copias de sí misma. La materia normal, hecha de electrones y sus neutrinos y dos quarks, llamados arriba y abajo que a su vez son los constituyentes de protones y neutrones. Hay una segunda copia en la que milita el muón y su neutrinos y otros dos quarks, que se llaman extraño y encanto. La única diferencia aparente entre la primera y la segunda copia de la realidad es que las partículas de la segunda copia tienen más masa. Por último hay una tercera copia en la que figura el tau y su neutrino y los quarks belleza y verdad (también llamados suelo y techo).

¿Por qué hay tres familias? Ni idea. ¿Por qué hay tres precisamente y no dos o cuatro? Ni idea tampoco, pero una de las cosas que LEP demostró fue que existían tres y solo tres copias de la realidad. Los bosones (el fotón Z y los W) median entre estas tres copias. De hecho los W permiten que un muón se transforme en un electrón (y también que un tau se transforme en muón, o bien en electrón) conectando así las familias entre sí.

Los ladrillos del Modelo Estándar. Tanto los leptones como los quarks son fermiones y se agrupan en dobletes de isoespín (el electrón con su neutrino, el muón y el tau con los suyos, los quarks por parejas: arriba y abajo, extraño y encanto, suelo y techo). De izquierda a derecha contamos tres familias o copias de la realidad. En azul los bosones o portadores de la fuerza (electrodébil). El fotón, el Z y los W. También los gluones (g), portadores de la fuerza de color que une (y confina) los quarks en el interior de protones y neutrones.

¿Y qué quiere decir que el electrón y su neutrino son un doblete de isoespín? Quiere decir que existe una simetría en la naturaleza que relaciona ambas partículas. El electrón (e) se mira en ese espejo y ve un neutrino, ”su” neutrino (o neutrino electrónico, νe). Cuando el muón (μ) se mira en el mismo espejo ve un neutrino muónico (νμ). Y el tau(τ) ve un neutrino tauónico (ντ). Al igual que Alicia, las familias de electrones pueden atravesar el espejo, enganchándose a un W y transformarse en sus respectivos neutrinos.

Electrones que aceleraban hasta una fracción minúscula de la velocidad de la luz para aniquilarse con sus dopplegangers y producir un fósil, la partícula Z que llevaba mucho más tiempo extinta en el universo que los jovencísimos dinosaurios. Materia convirtiéndose en energía y otra vez en materia, copias superpuestas de la realidad, espejos que no reflejan exactamente la imagen de quien los mira. Todas aquellas maravillas eran el pan nuestro de cada día durante los diez años que duró LEP. Por aquella época la ciencia ficción empezó a cansarme y pasarían casi 20 años (pero 20 años no es nada) antes de que me enganchara de nuevo. No necesitaba imaginar inventos prodigiosos, ni delirar con extraños universos. Ya tenía bastante prodigio y bastante delirio cada mañana en la oficina. O más bien cada madrugada, porque aquella fue la época de las grandes trasnochadas, de trabajar hasta el alba, de hacerle novillos al sueño. Como el conejo blanco de Alicia, teníamos demasiada prisa en explorar el país de las maravillas para perder el tiempo durmiendo.

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2 comentarios

  1. Pingback: Juan José Gómez Cadenas: 20 años no es nada

  2. Jon Bull

    Extraordinario blog para aficionados al mundo magico de la fisica de particulas o para cualquiera con inquietud intelectual. Continue por favor, sus lectores le estan muy agradecidos.

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