29 junio, 2012

Cuatro fuerzas y una pieza del puzzle

  • El Modelo Estándar de física de partículas puesto a prueba
  • El bosón de higgs es una partícula clave en el puzzle teórico
  • 27 premios Nobel entregarán una visón de la nueva física
  • Panel de discusión con enlace en vivo desde el CERN

Lindau, 20 de junio de 2012-. La física de partículas reúne los bloques elementales de la materia y sus fuerzas en un elegante modelo. Su arquitectura teórica y sus pruebas experimentales han sido reconocidas con muchos premios Nobel. Sin embargo, el Modelo Estándar deja muchas preguntas sin respuestas: Por ejemplo, los físicos no han sido capaces de explicar cómo las partículas obtienen su masa. No saben cómo incorporar la gravedad al modelo y, al parecer, éste sólo explicaría 4% de nuestro universo. El resto consiste en las misteriosas materia y energía oscuras.

Una gran parte del 62 Lindau Nobel Laureate Meeting, dedicado a la física, se concentrará en la discusión de este tema. 27 premios Nobel y más de 580 jóvenes de todo el mundo participarán en la cita. Las tertulias también se concentrarán en los experimentos del Gran Acelerador de Hadrones (LHC) —el acelerador de partículas del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra— que muy pronto ayudará a que el Modelo Estándar tenga fundamentos más sólidos y pueda expandirse.

Los premios Nobel Carlo Rubbia, Martinus Veltman, George Smoot y David Gross discutirán sobre los últimos avances en este campo en un panel de conversación en contacto en directo con representantes del CERN en Suiza.

El poder de la interacción débil

Los premios Nobel Carlo Rubbia, Martinus Veltman y David Gross han hecho cada uno contribuciones cruciales al Modelo Estándar de física de partículas. Sus descubrimientos están relacionados con las interacciones fuertes y débiles en el núcleo atómico, dos de las fuerzas fundamentales de la física. Las otras dos son la gravedad y la fuerza electromagnética, que aseguran, entre otras cosas, que los electrones de carga negativa permanezca estables alrededor del núcleo. Dependiendo de cada elemento químico, el núcleo atómico contiene un número específico de protones y neutrones, cada uno de los cuales está compuesto por tres quarks.

fuerzas-fundamentales-5Imagen | eluniverso.org.es

Para que el hidrógeno simple se convierta en elementos más complejos, por ejemplo, sus protones deben convertirse en neutrones, cosa que también ocurre en el proceso de fusión nuclear del Sol. La interacción débil es la responsable de este proceso. Nuestro mundo material no podría haberse formando de la energía original del Big Bang sin la interacción débil. Por otro lado, la interacción fuerte mantiene los componentes del núcleo atómico unidos y contrarresta la repulsión eléctrica de cargas iguales.

Las cuatro fuerzas fundamentales ejercen su efecto con la ayuda de el intercambio específico de partículas. Los fotones median la interacción electromagnética y los gluones la fuerte. Se cree que los gravitones son los mediadores de la gravedad pero aún no han sido descubiertos. No así los bosones W y Z que, como mediadores de las interacciones débiles, fueron detectados por un equipo con el que trabajaron Carlo Rubbia y Simon van Meer en el CERN. La masa de esos bosones es 80 veces la masa de un protón, pero quarks y electrones, por ejemplo, también tienen masa.

¿Pero cómo puede ser esto explicado si el matemáticamente el Modelo Estándar sólo permite partículas sin masa? El físico inglés Higgs postuló que debe existir una interacción que brinde a las partículas su masa, una capo de fuerza a través de cual se deslizan como un jarabe para adquirir su masa. De otra forma todas las partículas sólo se podrían mover a la velocidad de la luz sin poder formar nunca materia estable. La partícula que daría la masa a las otras en este campo de fuerza sería el bosón de Higgs. No ha sido descubierto aún porque esta pieza perdida del puzzle sólo se formaría a muy altas energías y decaería extremadamente rápido. Sólo el LHC puede generar energías suficientes para que cuando choquen los protones se pueda detectar y analizar los fragmentos de dichas colisiones.

El encanto oculto de la supersimetría

En su charla “El LHC del CERN y el Higgs”, Martinus Veltman destacará la creación y el desarrollo del modelo estándar y discutirá los últimos hallazgos del CERN que indicarían que el Higgs realmente existe.

Veltman fue galardonado con el Premio Nobel en 1999 junto con su ex estudiante de doctorado Gerardus 't Hooft. Ambos lograron mostrar matemáticamente que las interacciones débiles y electromagnéticas estaban originalmente unificadas en la fuerza electro-débil, incluso si en el mundo real sus fuerzas difieren unas de otras por un factor de 100 mil millones.

La explicación de ello: mientras más grande es la energía —es decir, mientras más se asemeja las condiciones del comienzo del universo— más fuerte será la fuerza débil y menos poderosa la fuerza electromagnética. La interacción fuerte también se debilita a mayor energía. Esto se denomina libertad asintótica. Este descubrimiento, por el cual David Gross, H. David Politzer y Frank Wilczek recibieron en 2004 el premio Nobel de Física, alimenta la esperanza de que las cuatro fuerzas fundamentales de la física derivan de una fuerza primordial que podría ser descrita en una teoría del todo. Esto se debe a que la interacción de fuerzas débiles, fuertes y electromagnéticas tienen aproximadamente la misma fuerza en el rango de energía en el que la gravedad también se convierte en lo suficientemente grande como para fusionarse con ellas.

Sin embargo, la premisa de la unificación de la cuatro fuerzas implica que el Big Bang dio origen a un mundo originalmente supersimétrico, y que con el tiempo dicha simetría se rompió apareciendo las partículas que hoy son parte del Modelo Estándar. Cada una de ellas tiene una pareja supersimétrica en el universo que tendría masa, que de otro modo se comportarían de manera completamente neutral y no sería accesible para tres de las cuatro fuerzas elementales.

supersimetriaImagen | Supersymmetry — What Is It?

Estas partículas supersimétricas sólo se pueden identificar a través de su interacción con la gravedad. Si ellas realmente existen, es posible detectarlas experimentalmente en el LHC del CERN. David Gross, quién hablará de “Un siglo de mecánica cuántica”, explicará por qué él cree que probar la existencia de la supersimetría establecerá una nueva física, más allá del Modelo Estándar.

El misterio de la materia oscura

En Física, las partículas supersimétricas son consideradas como promisorios candidatos para explicar la materia oscura, que mantiene a las galaxias del universo juntas como si fuera un esqueleto invisible y que equivale al 23% de la masa total del universo. Esto se debe a que la materia oscura exhibe un comportamiento electromagnético neutral y sólo se hace visible con la gravitación: esta curva el espacio y desvía la luz de objetos distantes que llega a la Tierra. Por esto podría estar compuesta de partículas supersimétricas.

Sin embargo, neutrinos pesados también podrían contribuir a explicar la materia oscura, como Carlo Rubbia explicará en su charla “Neutrinos: un campo dorado para la física de astro-partículas”. Los neutrinos están cercanamente relacionados con la interacción débil y son liberados junto a los electrones cuando los neutrones son convertidos en protones durante el decaimiento beta.

Por qué su masa no es cero, como originalmente se asumió, es una de las preguntas para las que el Modelo Estándar aún no tiene respuesta. Los científicos tienen certeza de que todos los átomos que conocemos están compuestos de dos quarks diferentes, un tipo de electrón y un tipo de neutrino. Sin embargo, el Modelo Estándar describe dos familias de cuatro, que están compuestas por un tipo muy diferente de quarks, electrones y neutrinos, y que son estables sólo por pequeñas fracciones de segundos. Ellos han sido generados por aceleradores de partículas e identificados como bloques elementales del universo. ¿Qué propósito tienen? ¿Por qué hay tres familias de partículas si todos los fenómenos se pueden explicar con los miembros de la primera?

Es posible que todos los problemas de las partículas estén interrelacionados, según asegura Martinus Veltman. “Si investigamos el Higgs en gran detalle, posiblemente podremos encontrar la llave para la solución del resto de los problemas. Esto es la esperanza del futuro”. Pero para lograrlo, es necesario primero encontrar esta pieza del puzzle de partículas.

Los premios Nobel Carlo Rubbia, Martinus Veltman, George Smoot y David Gross discutirán los últimos desarrollo y progresos del CERN en un panel de discusión con representantes del mismo CERN, en contacto directo desde Ginebra, durante el Lindau Meeting of the Nobel Laureates. Este panel se realizará el jueves 4 de julio entre las 15 y 16:30 horas en Lindau.

Más información

El programa del 62 Lindau Nobel Laureate Meeting, información de contexto, y los resúmenes de las charlas están disponibles en el Lindau Mediatheque.

Además se puede encontrar las grabaciones de audio y videos de las charlas de los premios Nobel que han participado en los más de 60 años del Lindau Meetings. Se encuentra también información de las reuniones, fotos, enlaces con información relacionada y “mini charlas” editadas didácticamente. El Lindau Mediatheque está pensado para investigadores, quienes estén interesados en ciencia, periodistas y profesores.

Contenidos sobre partículas subatómicas en la Mediatheque.

Perfiles del los Premios Nobel en el Lindau Mediatheque:

  • Carlo Rubbia (Física, 1984) y Simon van der Meer por su determinante contribución en el gran proyecto que llevó a descubrir las partículas W y Z, comunicadores de la interacción débil”.
  • Martinus Veltman (Física, 1999), Veltman y Gerardus 't Hooft recibieron por dilucidar la estructura cuántica de las interacciones electrodébiles en física "
  • David Gross (Física, 2004), H. David Politzer y Frank Wilczek por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte.

El Lindau Nobel Laureate Meeting

24 Premios Nobel y más de 580 jóvenes científicos de 69 países participarán del 62 Lindau Nobel Laureate Meeting (Física) desde el 1 al 6 julio de 2012. Los temas de este año de física incluyen cosmología, física de partículas, y los desafíos de proveer de energía sustentable y los problemas climáticos.

Los Lindau Meetings se han desarrollado anualmente desde 1951 en Lindau (Alemania). Son organizados por el Consejo para el Lindau Nobel Laureate Meeting establecido en 1954 y la Fundación Lindau Nobelprizewinners Meetings at Lake Constance creada en 2000. Más de 250 Premios Nobel son miembros de la Founders Assembly.

Lindau Meetings en línea

Blog: http://lindau.nature.com/
Twitter: http://twitter.com/#!/lindaunobel
Facebook: http://www.facebook.com/LindauNobelLaureatesMeeting

Comunicado de prensa provisto por Lorena Guzmán H.

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