Conferencia inaugural Cáceres 2002

 

JORGE CASAUS ARMENTANO

 

CIEMAT. Madrid

 

 

LA FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTALES: DE LOS GRANDES ACELERADORES A LA ESTACIÓN ESPACIAL

 

 

La Física de partículas elementales es la disciplina que estudia los componentes y las fuerzas fundamentales de la Naturaleza. La búsqueda de estos componentes, junto con los desarrollos teóricos para enmarcarlos dentro de una teoría física, han conllevado el esfuerzo científico y tecnológico más importante del siglo XX. La descripción de la Naturaleza a su nivel más básico ha resultado ser una gran aventura que ha impulsado a los científicos a construir las máquinas más grandes y precisas jamás realizas, a llevar a cabo experimentos en túneles de gran profundidad, en los fondos marinos, bajo el hielo polar e incluso en el espacio. El objetivo de estas páginas es hacer partícipe al lector de la motivación y de los logros de esta aventura y de la firme convicción de que los capítulos más bellos y sorprendentes están aún a la espera de que futuros científicos los escriban.

 

 

 

EL MODELO ESTÁNDAR

 

Desde la antigüedad el hombre se ha preguntado por la composición del mundo en el que vivimos y qué es lo que hace que la materia se mantenga unida. A la hora de clasificar los diferentes objetos, pronto resultó evidente que toda la materia está constituida por unos pocos componentes fundamentales. Uno de los primeros intentos de unificación fue considerar que tierra, aire, fuego y agua eran dichos elementos. Nuestra imagen actual es sensiblemente distinta. Consideramos elemental aquel objeto que no está formado por otros menores, es decir, que no posee estructura interna. A medida que hemos sido capaces de profundizar más y más en el interior de la materia hemos ido descubriendo como objetos que aparecían como elementales a una cierta escala poseían en realidad una estructura interna.

 

Desde Demócrito (600 a. de C.) hasta finales del siglo XIX se consideró que los átomos eran los constituyentes elementales de la Naturaleza. Todos los compuestos se pueden explicar como combinaciones de unos pocos elementos químicos y cada elemento está asociado a un átomo de características definidas.

 

Sin embargo, experimentos llevados a cabo a principios del siglo XX probaron que los átomos estaban constituidos por un núcleo de pequeñas dimensiones, gran densidad y con carga eléctrica positiva, rodeado por una nube de electrones de carga eléctrica negativa. Los átomos deparaban pues ciertas sorpresas. Por un lado, no podían ser considerados elementales ya que estaban constituidos por partes más pequeñas; por otro lado, ya que la mayor parte de su masa se encontraba concentrada en el núcleo, los átomos estaban prácticamente vacíos.

 

Dado que el núcleo atómico es de pequeñas dimensiones y denso, se planteó la posibilidad de que fuera elemental. Sin embargo, se descubrió que a su vez estaba formado por nucleones: protones, de carga eléctrica positiva, y neutrones, sin carga. La pregunta resultará obvia... y la respuesta resultó ser nuevamente negativa: los protones y los neutrones no son partículas elementales. Sin embargo, hubo que esperar muchos años para que los científicos dispusieran de los instrumentos que les permitieran profundizar en el interior de los nucleones. Hoy sabemos que los protones y los neutrones están constituidos por partículas más pequeñas denominadas quarks que, junto con los electrones, son las partículas elementales que forman los átomos.

 

En su búsqueda de los constituyentes básicos de la materia, los físicos han encontrado gran cantidad de nuevas partículas. Muchas de ellas no son elementales y, sin embargo, otras sí aun cuando no forman parte de los átomos. Así, en 1937 se descubrió una partícula semejante al electrón, con su misma carga eléctrica pero con una masa unas 200 veces superior a él, el muon. En 1975 se descubrió otra similar pero con una masa 3500 veces superior, el tau. Por otro lado, del estudio de las desintegraciones nucleares se concluyó la necesidad de postular la existencia de una partícula sin carga eléctrica y de masa nula denominada neutrino. Posteriormente, se vio que existían tres tipos distintos de neutrinos, el asociado al electrón, el del muon y de del tau. Electrón, muon, tau y sus neutrinos correspondientes reciben la denominación conjunta de leptones. Además de los leptones, se han descubierto gran cantidad de partículas formadas, al igual que los nucleones, por quarks y que reciben la denominación de hadrones. Aunque los protones y los neutrones están formados por combinaciones de tres quarks de dos tipos distintos (down y up), se han descubierto cuatro tipos de quarks más pesados (strange, charm, bottom y top). Los quarks se encuentran siempre confinados en el interior de los hadrones bien en parejas formando mesones o en tríos formando bariones como los protones y neutrones. En resumen, los nucleones (protones y neutrones) son un tipo concreto de hadrones y los electrones son un tipo concreto de leptones.

 

Uno de los hechos más sorprendentes en esta larga búsqueda se produjo en 1932 cuando se descubrió una partícula de igual masa que el electrón pero con carga opuesta. Se había descubierto la antimateria. Posteriormente se ha comprobado que todas y cada una de las partículas elementales estudiadas y sus agregados correspondientes tienen su antipartícula correspondiente con sus mismas propiedades pero con carga opuesta. Cuando una partícula interacciona con su antipartícula se aniquila en forma de energía.

 

La materia, formada por quarks y leptones, se clasifica en tres familias distintas. La primera familia contiene los quarks tipo down y up, el electrón y su neutrino asociado. La segunda y tercera familia son réplicas de la primera. Así, los quarks strange y charm junto con el muon y su neutrino asociado constituyen la segunda familia y los quarks bottom y top, el lepton tau y su neutrino forman la tercera familia. Los quarks de la segunda y tercera familia y los leptones pesados (muon y tau) son inestables, de tal modo que la materia ordinaria está compuesta por las partículas elementales de la primera familia.

 

Llegado a este punto el lector se preguntará si tanto esfuerzo tiene algún objetivo más allá de la mera descripción taxonómica de los constituyentes de la materia. La respuesta es, afortunadamente, sí. El objetivo de la Física de partículas es describir matemáticamente las interacciones entre los componentes elementales de la Naturaleza y, a partir del menor número posible de hipótesis y parámetros, poder predecir toda la variedad fenomenológica existente. Durante el siglo XX se han propuesto diversos modelos para explicar los descubrimientos de partículas, las propiedades de éstas y predecir la existencia de otras nuevas. La gran cantidad de partículas no elementales descubiertas por el camino ha causado cierta confusión aunque también ha proporcionado un mecanismo de validación más completo del modelo propuesto.

 

Las interacciones entre partículas elementales son las responsables de la estructura y de los procesos que tienen lugar en el Universo. A pesar de la amplia variedad aparente, todas las interacciones pueden ser englobadas dentro de cuatro tipos fundamentales: gravitatorias, electromagnéticas, nucleares débiles y nucleares fuertes. Las interacciones entre partículas elementales se explican mediante el intercambio de partículas intermedias de la interacción. Cada tipo fundamental de interacción tiene asociada una partícula portadora. Así, por ejemplo, la partícula intermediaria del electromagnetismo es el fotón. Para que una partícula elemental sea susceptible de participar de un tipo de interacción debe tener una carga no nula para esa interacción. En el caso de las interacciones electromagnéticas, los fotones sólo se acoplan a las partículas elementales con carga eléctrica. Las interacciones nucleares fuertes son las responsables directas de que los quarks estén confinados en los protones y neutrones y, en último extremo, de que éstos formen los núcleos atómicos venciendo la repulsión electromagnética entre los protones. Las partículas intermediarias de la interacción nuclear fuerte se denominan gluones. Las interacciones nucleares débiles son las responsables de las desintegraciones de los quarks y leptones masivos de la segunda y tercera familia así como de las desintegraciones nucleares. Los intermediarios de esta interacción son las partículas W y Z. La existencia de estas partículas intermediarias ha sido verificada experimentalmente y sus propiedades han sido estudiadas en detalle. Del mismo modo que las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes, la interacción gravitatoria está mediada por una partícula que se ha denominado gravitón y que aún no ha sido detectada.

 

Con objeto de describir la materia y sus interacciones se ha desarrollado una teoría cuyas predicciones han sido ampliamente verificadas experimentalmente. Esta teoría se denomina el Modelo Estándar. El Modelo Estándar explica la existencia de cientos de partículas y las interacciones entre ellas a partir de un conjunto de 6 quarks y 6 leptones, con sus antipartículas correspondientes, y 4 partículas mensajeras encargadas de transmitir las distintas interacciones entre quarks y leptones. El Modelo Estándar describe de un modo unificado las interacciones electromagnéticas y nuclear débil (interacciones electrodébiles) e incluye la interacción nuclear fuerte.

 

 

 

LAS HERRAMIENTAS

 

El estudio de la estructura de la materia requiere el uso de proyectiles de mayor energía cuanto más pequeñas son las distancias que se desee explorar. Así, para fragmentar el núcleo atómico se necesitan energías un millón de veces superiores a las precisadas para arrancar los electrones que lo rodean y, para estudiar la estructura interna de los nucleones, hay que conseguir aún mil veces más energía.

 

Por otro lado, la producción de partículas pesadas requiere el uso de energías superiores al producto de su masa y la velocidad de la luz al cuadrado. Así, para producir el quark top (trescientas cincuenta mil veces más pesado que el electrón) ha sido necesario el uso de energías cientos de miles de millones superiores a las necesarias para arrancar electrones atómicos.

 

A principios del siglo XX se utilizaba la radioactividad natural como fuente de partículas de alta energía. Así, el experimento que llevó al descubrimiento de la existencia del núcleo atómico en 1909 utilizó los productos de desintegración de una fuente radioactiva como proyectiles. Para explorar el interior del núcleo atómico hubo que desarrollar aparatos capaces de acelerar partículas a energías muy superiores a las proporcionadas por este primer acelerador natural.

 

Por otro lado, en 1912 se descubrió que el número de partículas cargadas que llegan a la superficie terrestre incrementa conforme se asciende en la atmósfera. Este hecho se interpretó como el resultado de las interacciones de partículas de muy alta energía, denominadas rayos cósmicos, con las capas superiores de la atmósfera. Fue en el estudio de los productos de la interacción de los rayos cósmicos como se produjeron los descubrimientos más importantes de nuevas partículas durante la primera mitad de siglo. La primera antipartícula, el primer leptón pesado, el primer mesón y el primer hadrón que contenía un tercer tipo de quark fueron obtenidos de este modo.

 

En la segunda mitad del siglo XX se consiguió desarrollar la tecnología necesaria para construir los aceleradores de partículas. Un acelerador es una máquina capaz de impulsar un conjunto de partículas a grandes energías para hacerlas colisionar contra un blanco. El blanco puede ser fijo o bien otro frente de partículas que viaja en sentido opuesto. El ejemplo más simple de acelerador de partículas es un tubo de rayos catódicos, es decir, una pantalla de televisión. Sin embargo, las energías alcanzadas por los electrones en tubo de rayos catódicos no son suficientes para los requerimientos de la Física de partículas. El principio del funcionamiento de los aceleradores consiste en someter a partículas cargadas a ondas electromagnéticas que avanzan a lo largo del acelerador llevándolas consigo. Debido a limitaciones de diverso tipo estos aparatos deben tener dimensiones descomunales para alcanzar la energías requeridas.

 

Atendiendo a su forma, existen dos tipos generales de aceleradores: los aceleradores lineales, en los que la aceleración se efectúa a lo largo de un recorrido recto, y los sincrotrones, en los que se fuerza a las partículas a recorrer un gran número de veces una trayectoria circular. La principal diferencia entre ambos es que en el primer caso la aceleración se produce en un solo paso a lo largo del acelerador, mientras que en el segundo la aceleración se realiza progresivamente en cada uno de los recorridos a lo largo del círculo. Los sincrotrones necesitan utilizar campos magnéticos intensos para conseguir mantener las partículas en trayectorias circulares.

 

Entre los aceleradores lineales actuales, el mayor es el de SLAC, en Estados Unidos, con unas dimensiones de más de 3 Km. En cuanto a los circulares, el mayor se encuentra en el CERN, en la frontera franco-suiza, y tiene un diámetro de 9 Km.

 

En los puntos del acelerador en los que se producen las colisiones se colocan complejos detectores con la finalidad de identificar y medir con precisión las propiedades de las partículas producidas en la colisión, son los denominados detectores de partículas. Estos detectores están en realidad compuestos por subdetectores especializados en la medida de partículas de distinto tipo. Para conseguir realizar las medidas con la precisión adecuada es necesario que sean de gran complejidad y grandes dimensiones. Un detector típico tiene una decena de subdetectores, decenas de miles de canales de lectura y unas dimensiones de 10x10x10 m3.

 

 

 

LAS CUESTIONES PENDIENTES

 

Aun cuando el Modelo Estándar da cuenta de gran parte de las preguntas acerca de la estructura e interacciones de la materia, hay motivos más que razonables para considerar que es incompleto.

 

Primeramente, dado que resulta extraño que existan dos réplicas adicionales de la primera familia en el Modelo Estándar, y dada la gran tradición existente en este campo, resulta obvio preguntarse si las partículas que consideramos elementales lo son realmente. Por otro lado, el Modelo Estándar requiere de la existencia de una partícula, el Higgs , todavía no detectada y que es responsable de que el resto de las partículas elementales posean masa no nula. Además de todo esto, el Modelo Estándar trata en pie de igualdad las interacciones electromagnéticas y las débiles, pero no las fuertes. Sería muy deseable un modelo unificado de estas tres fuerzas. Por si fuera poco el Modelo Estándar no incluye la interacción gravitatoria. Una descripción completa de la Naturaleza requiere la inclusión de la gravitación. Finalmente, seguimos teniendo el pequeño problema de la antimateria: si toda partícula tiene su antipartícula con iguales propiedades salvo la carga, qué motivo hay para que estemos rodeados de multitud de partículas y de ninguna de sus antipartículas.

 

El objetivo actual de la Física de partículas elementales es responder a estas preguntas. La respuesta a muchas de ellas no tiene cabida en el Modelo Estándar, así que se han propuesto diversos modelos alternativos. Uno de los problemas con dichos modelos es que deben ser capaces de pasar todos los test experimentales que ha superado el Modelo Estándar. Es por ello por lo que los más prometedores son las denominadas extensiones del Modelo Estándar. Las predicciones de estos modelos se reducen a la del Modelo Estándar para energías (o distancias) ya exploradas, pero añaden nuevos procesos o partículas elementales a energías mayores. Por esta razón, la carrera hacia acelerados más potentes o fuente de partículas más energéticas sigue vigente.

 

 

 

FUTUROS EXPERIMENTOS

 

Los científicos contarán dentro de pocos años con el acelerador más potente construido hasta la fecha. El LHC (Large Hadron Collider) se está instalando en el CERN utilizando el mismo túnel circular de 9 Km. de diámetro que mencionábamos anteriormente. Debido a numerosas mejoras tecnológicas, el LHC será capaz de alcanzar energías 10 veces mayores que las conseguidas hasta la fecha. El objeto de este acelerador es completar el Modelo Estándar con el descubrimiento de la última pieza restante: la partícula de Higgs. Además, hay motivaciones teóricas razonables para esperar que a estas energías se producirán nuevas partículas no predichas en el Modelo Estándar, lo que supondría una nueva revolución en nuestra interpretación de la Naturaleza.

 

Es previsible que el LHC se convierta en el último gran acelerador ya que, salvo que surjan enormes desarrollos tecnológicos, hay limitaciones técnicas y financieras que impiden aumentar sustancialmente las energías alcanzables.

 

Esta limitación, lejos de desanimar a los científicos, ha significado un acicate para buscar nuevos modos de conseguir energías mayores que las que proporcionan los aceleradores. La radiación cósmica, olvidada en este campo durante prácticamente cincuenta años, ha sido redescubierta como fuente de partículas de muy alta energía. Se cree que la aceleración de los rayos cósmicos se produce durante la muerte violenta de un cierto tipo de estrellas denominadas supernovas. Este acelerador natural produce partículas de una energía muchos órdenes de magnitud superior a la del LHC. Por otro lado, una vez acelerados, los rayos cósmicos viajan durante millones de años por la galaxia y unos pocos llegan a nuestro planeta. De este modo, los rayos cósmicos nos traen información de los que ocurre a grandes distancias de nosotros. Esta información puede ser relevante para la Física de partículas elementales, respondiendo a algunas de las incógnitas pendientes en el Modelo Estándar.

 

Con esta intención el experimento AMS, que será situado en la Estación Espacial Internacional (ISS), utilizará la radiación cósmica para intentar estudiar si la asimetría que conocemos entre materia y antimateria es algo propio de la porción del Universo que nos rodea o si, por el contrario, es algo mucho más general. También buscará los productos de las interacciones de partículas predichas por extensiones del Modelo Estándar y que no han conseguido detectarse a las energías alcanzadas por los aceleradores de partículas.

 

En conclusión, nuestro conocimiento de la estructura íntima de la materia y de las interacciones que gobiernan el Universo es bastante profundo gracias al esfuerzo de cientos de científicos a lo largo de los últimos cien años. En cualquier caso, quedan aún cantidad de preguntas por responder y, aunque creemos estar en buen camino para resolver algunas incógnitas, muchas de las cuestiones tendrán que esperar a que el ingenio de futuros científicos dé cuenta de ellas.