Román Roy, Narciso

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SOBRE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES, LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS TEORÍAS DE CAMPOS Narciso Román Roy Profesor Titular del Departamento de Matemática Aplicada y Telemática Edificio C-3. Campus Nord u.P.e. Jordi Girona l. 08034 Barcelona. España. e-mail: matnrrmat.upc.es. INTRODUCCIÓN En el campo de la Física Teórica hay multitud de temas que, bien sea por su espectacularidad, bien sea por su trascendencia en el mundo actual, atraen la atención no sólo del especialista científico o técnico, sino también del público profano con inquietudes culturales. Entre dichos temas, quizás los que más interesan son los que tienen que ver con la Teoría de la Relatividad, la Cosmología y la Astrofísica y el mundo subatómico. El propósito de este trabajo es incidir en la última cuestión. En concreto, se intentará hacer una somera descripción que pueda servir de introducción al fascinan-te mundo de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, de las partículas elementales y de las teorías físicas que tratan de describirlas. Para una información más profun-da y detallada sobre todos estos temas (pero que mantiene un nivel no excesivamente técnico) puede consultarse la referencia (1). En la naturaleza hay cuatro fuerzas, (también llamadas en Física interacciones o campos) que son responsables de todos los fenómenos en el Universo La exposición está dividida en tres partes. En la primera se presentan las fuerzas o interacciones funda-mentales y sus características. La segunda está dedicada a la descripción de las partículas elementales y sus propiedades. Finalmente, en la tercera parte se hacen • RAMAS DE ESTUDIANTES DEL IEEE algunos comentarios sobre las teorías de campos, que tratan de explicar estos fenómenos. También se incluye un apéndice donde se explican algunas cuestiones más técnicas que pueden servir para clarificar ciertos aspectos de la exposición. INTERACCIONES FUNDAMENTALES En la naturaleza hay cuatro fuerzas, (también llamadas en Física interacciones o campos) que son responsables de todos los fenómenos en el Universo: la fuerza o interacción gravitacional, la nuclear débil, la electromagnética y lanuclear fuerte. Vamos a describir brevemente las principales caracterí¡"ticas de cada una de ellas. Interacción gravitacional Descripción: Es la responsable de la interacción entre las partículas con masa y, por extensión, de la configuración a escala macroscópica del Universo y de su estabilidad. Acción: Actúa sobre todas las partículas que tienen masa no nula. Es de naturaleza atractiva. Alcance: Prácticamente infinito. Fuerza: Es la más débil. Tomando como unidad la más fuerte de las cuatro, ésta sería 10-39 veces más débil, aproximadamente. Interacción nuclear débil Descripción: Es la responsable de la desintegra-ción de ciertas partículas inestables; es decir, de aquellos procesos en los que algunas partículas se descomponen (decaen) en otras más ligeras. Por extensión, es la que origina algunos procesos radiactivos (desintegración beta). Acción: Actúa sobre las partículas denominadas leptones y quarks (ver la sección siguiente) . 41 Alcance: Menos de 10-15 cm. Fuerza: 1{)-5 (en la escala anterior). Interacción electromagnética Descripción: Es la responsable de la interacción entre las partículas con carga eléctrica y, por extensión, de todas las reacciones químicas (y, por consiguiente, de todos los fenómenos biológicos). Acción: Actúa sobre todas las partículas cargadas eléctricamente. Es de naturaleza atractiva.o repulsiva. Alcance: Prácticamente infinito. Fuerza: 10.2• Interacción nuclear fuerte Descripción: Es la responsable de la interacción entre los nucleones, esto es, las partículas que forman el núcleo atómico (protones y neutrones). Mantiene el núcleo unido (obsérvese que al tener los protones carga eléctrica positiva y los neutrones carga nula, por efecto de la fuerza electromagnética repulsiva entre los primeros, el núcleo sería inestable de no existir esta fuerza). Por extensión, es la responsable de la estabilidad de toda la materia. Acción: Actúa sobre las partículas denominadasquarks (ver la sección siguiente). Es de naturaleza atractiva. Alcance: 10.13 cm. Farrilia NorrtJre Sírrnob Elect.ron e Neutrino el€a.ronico V~ LEPIO Muon 11 NES Neutrino muOn ico VIL Tsu 1: Neutrino tsuOn ico Vt. Up (Arribs) u D:!......., (Absjo) d QU.ARKS Chs rm (E}1canto) e Strsnge (Extrsflo) s Top (Cims) t Botto m (Fondo) b Tabla 1 Fuerza: 1. Es la más fuerte. PARTÍCULAS ELEMENTALES De acuerdo con la teoría actualmente aceptada (que recibe el nombre de Modelo Estándar), las partícu-las elementales pertenecen a dos grandes grupos: los fermiones y los bosones 1. En realidad todas las partícu-las subatómicas, sean o no elementales son, o bien ferrniones, o bien bosones y es el comportamiento estadís-tico de dichas partículas el que hace que pertenezcan a uno u otro grupo. El papel que desempeñan en la natura-leza las partículas elementales es muy diferente según sean ferrniones o bosones, tal y como se verá seguidamen-te. Fermiones Las partículas elementales que forman parte del grupo de losfermiones son los constituyentes básicos de lamateria y laantimateriaen el Universo. Aunque no hay una razón aparente que justifique esta asimetría, el Universo parece estar formado esencialmente de materia, aun cuando también se ha detectado en él la presencia de antimateria, principalmente formando parte de los rayos cósmicos en forma de antipartículas. Dentro del grupo de los fermiones existen d~s familias de partículas elementales: los leptones y los quarks 2. En cada una de ellas se agrupan partículas (rigurosamente hablando, partículas y sus correspon-dientes antipartículas) con ciertas características comu-nes: Masa ~ Generación 0,511 MaV -1 PJ:im.eIa <=:18 eV (¿O?) O 105,65 MaV -1 Segurda <=:0,25 MaV (¿O?) O 1784 MaV -1 Iero:aa <=:35 MaV (¿O?) O 336 MaV +213 PJ:im.eIa 338 MaV -113 1500 MaV +213 Segurda 540 MaV -113 114000 MaV (apIOx.) +213 Iero:aa 55000 MaV (apIO:lI:.) -113 1 Los nombres de ferrnión y bosón son en honor de los físicos Enrico Ferrni y Satyendra N ath Bose que, simultáneamente con Paul Adrian Maurice Dirac y Albert Einstein respectivamente, desarrollaron sendos modelos teóricos para describir el comportamiento estadístico de cada uno de estos tipos de partículas. 2 La palabra leptón proviene del griego y significa ligero. El apelativo quark no tiene etimología; Murray Gell-Mann, que fue quien postuló teóricamente la existencia de estas partículas (simultáneamente a George Zweig) tomó su nombre del título de un cuento llamado Three quarks for Muster Mask. 42 BURAN N°9 MAYO 1997 Nombre Símbolo Masa Carga Interacción Gravitó n g O O Gravitaciona1 Bosones lo 94000 Me V (aprox) O Nuclear Débil Vectoriales W,W 83000 Me V (aprox) +1 , -1 Fotón y O O Ele ctro magnétic a Gluones G¡, G:2,~, G40 Desconocida O Nuclear Fuerte GS, G6,~, Gs (pero no nula) Tabla 2 Leptones:Todos ellos son sensibles a la interacción nuclear débil pero no a la fuerte. Quarks: Todos ellos son sensibles a la interacción nuclear fuerte. Una característica de estas partículas es que no aparecen como partículas libres sino como ingre-dientes de otras más pesadas que se denominan hadrones: las combinaciones de dos quarks (unquark y unantiquark) Uno de los objetivos principales de la Física Teórica es poder unificar la descripción de las cuatro interacciones en una sola teoría de campos que slrva para explicarlas todas al unísono son los llamados mesones (y antimesones), mientras que las de tres quarks (o tres antiquarks) reciben el nombre de bariones (o antibariones), los más conocidos e importan-tes de éstos últimos son el protón y el neutrón. En cada una de estas familias hay tres generacio-nes. Al parecer, para explicar la constitución de la materia sólo la primera generación es realmente necesa-ria y, hoy en día, el papel que juegan las otras dos no está completamente claro (en general las partículas de estas generaciones forman partículas pesadas altamente ines-tables, que son los mesones y bariones pesados). En la tabla 1 se recogen las propiedades principa-les de los leptones y los quarks. Para cada una de las partículas existe la correspondiente antipartícula: ambas tienen la misma masa pero carga eléctrica opuesta (véase el apéndice). • RAMAS DE ESTUDIANTES DEL IEEE Bosones Las partículas elementales del grupo de los bosones son las que llevan a cabo las interacciones fundamenta-les. Ésto significa que dos partículas ferrniónicas que interactúen entre si mediante una de las cuatro fuerzas, lo hacen intercambiando alguna de éstas partículas bosónicas. Hay cuatro clases de partículas eleme!!tales del tipo bosónico. Cada una de ellas corresponde a una de las cuatro interacciones y contiene una o varias partículas. En la tabla 2 se describen las principales propie-dades de todas ellas. (Hay que hacer notar que, a diferen-cia de las partículas elementales ferrniónicas, las bosónicas no tienen antipartículas). Es interesante hacer notar que existe una estrecha relación entre el alcance de una interacción y la masa del bosón o bosones que la implementa: en general, cuanto mayor es la masa de la partícula intermediadora, menor es el alcance de la interacción. Concretamente: . La interacción gravitacional y la electromagnética tienen alcance infinito, lo cual está relacionado con el hecho de que las partículas que las sustentan (gravitón y fotón) tienen masa nula. • La interacción gravitacional y la electromagnética tie-nen alcance finito, lo cual está relacionado con el hecho de que las partículas que las sustentan (bosones vectoriales y gluones) tienen masa no nula. TEORÍAS DE CAMPOS Para poder explicar de manera teórica las interacciones fundamentales y, eventualmente, la rela-ción entre éstas y las partículas elementales, los físicos y matemáticos han elaborado diversas teorías que reciben el nombre genérico de Teorías de Campos. Las hay de dos tipos: Teorías Clásicas de Campos: Son las que tratan de explicar el comportamiento macroscópico de las 43 Interacción Teoría Clásica Teoría Cuántica Unificación GRA VITACIONAL Teona ...... ., . "." de la Sin elaborar , ... , Teona Relafuridad General , .. , •.. ¡ .... .. NUCLEAR No existe de DÉBIL (su rango es sólo Teona Débil Teona Teona nUcroscónico) de Super ELECTRO- Elel:trodinámic:a Elel:tro MAGNÉTICA Teona de Maxwell Cuánma Débil Gran Unifil:adón (OED) NUCLEAR No existe Cromodinámic:a Unifil:adón (Aún no FUERTE (su rango es sólo Cuánma ~, ' elaborada) nUcroscónico) Tabla 3 interacciones; esto es, cuando se consideran partículas y distancias grandes (macroscópicas). Teorías Cuánticas de Campos: Son las que tratan de explicar el comportamiento microscópico de las interacciones; esto es, cuando se consideran partículas y distancias microscópicas (en concreto, cuando se trabaja a nivel subatómico, atómico o molecular). Actualmente hay teorías de campos que describen bien cada una de las interacciones, clásica y/o cuánticamente. Uno de los objetivos principales de la Física Teórica es poder unificar la descripción de las cuatro interacciones en una sola teoría de campos que sirva para explicarlas todas al unísono (y que tendrá que ser cuántica necesariamente, ya que algunas de las interacciones sólo tienen rango microscópico). Hasta el momento, este objetivo sólo se ha cubierto parcialmente, aunque hay diversos intentos para culminarlo, como son las teorías de Supersimetría ySupergravedady las teorías de Cuerdas y Supercuerdas. La situación en el presente se resume en la tabla 3, en la que se halla especificado el nombre y carácter de las teorías que modelizan cada una de las interacciones. La interacción gravitacional y la electromagnética tienen alcance finito, lo cual está relacionado con el hecho de que las partículas que las sustentan (bosones vectoriales y gluones) tienen masa no nula 44 (OCD) La masa de las partículas elementales se mide en unidades de energía. Ello es debido a la conocida relación entre masa y energía establecida en la teoría de la Relatividad Especial APÉNDICE La masa de las partículas elementales se mide en unidades de energía. Ello es debido a la conocida relación entre masa y energía establecida en la teoría de la Relatividad Especial: E=mc2 (E es la energía, In es la masa en reposo de la partícula y c es la velocidad de la luz). La unidad utilizada es el electrón-Volt (eV) que es el incremento de la energía cinética de un electrón que esté sometido a una diferencia de potencial de 1 Volt a lo largo de 1 centímetro, y equivale a 1,602xlO-19 Jouls. En unidades de masa, 1 eV equivale a 1,782xlO-33 gramos. 1 MeV es un millón de eVo Para medir la carga eléctrica de las partículas se toma como unidad la carga del electrón que es 1 ,602x 10-19 Coulombs. Hay otras propiedades que son indispensables para la completa descripción de las partículas elementa-les (como son el spin, el número bariónico, el número leptónico, etc.), pero cuya explicación excede el objetivo de esta exposición. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS l. VARIOS AUTORES: Partículas Elementales. Quarks, Leptones y unificación de las fuerzas. Libros de Investi-gación y Ciencia. Prensa Científica. Barcelona 1984. BURAN N"9 MAYO 1997 

Sobre las interacciones fundamentales, las partículas elementales y las teorías de campos

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