Henri Becquerel

Los científicos alguna vez creyeron que los átomos eran las partículas más pequeñas. Pero hace cien años descubrieron que incluso los átomos pueden dividirse en partículas mucho más pequeñas. Fue gracias a esto que fue posible la creación de la bomba atómica. En 1896, un científico francés Henri Becquerel(1852-1908) descubrió accidentalmente que algunos átomos son “radiactivos”, es decir, emiten rayos.

Al año siguiente, el científico inglés JJ Thomson(1856-1940) observaron que los rayos eléctricos luminosos son en realidad partículas cargadas eléctricamente, cuyo tamaño es muchas veces menor que el de un átomo. Se ha demostrado que estas partículas, los electrones, se encuentran en los átomos.

Ernesto Rutherford

Un poco más tarde, un científico inglés Ernesto Rutherford(1871-1937) descubrió que la radiactividad no es más que la división de átomos para formar otros átomos. A medida que se desintegran, estos átomos también emiten corrientes de partículas a las que llamó partículas alfa y beta. En 1911, Rutherford dirigió corrientes de partículas alfa hacia una lámina de oro.

La mayoría de ellos lo atravesaron directamente. pero algunos se recuperaron. Se dio cuenta de que los átomos no eran trozos sólidos de materia, como se pensaba anteriormente, sino básicamente espacio vacío y, por lo tanto, las partículas generalmente atravesaban la lámina. Pero tienen partes centrales pequeñas y densas cargadas positivamente: los núcleos, y es contra ellos donde chocan las pocas partículas que rebotan. En 1912, un científico danés empezó a trabajar con Rutherford. Niels Bohr(1885-1962). —sugirió Bohr. que cada tipo de átomo tiene un número diferente de electrones, que giran a diferentes distancias alrededor del núcleo, como los planetas en la órbita solar. Hoy sabemos que los electrones se parecen más a nubes borrosas de energía que a planetas, pero la idea de Bohr era esencialmente correcta.

División del átomo En 1919, Rutherford logró dividir los átomos por primera vez. Disparó partículas alfa al gas nitrógeno, provocando que los núcleos de hidrógeno se separaran de los núcleos de nitrógeno. Entonces Rutherford Llegó a la conclusión de que todos los núcleos atómicos están formados por núcleos de hidrógeno, a los que llamó protones. En 1932, un inglés James Chadwick(1891-1974) descubrió otra partícula en el núcleo: el neutrón. Los neutrones no tienen carga eléctrica, a diferencia de los neutrones, que tienen una carga positiva que equilibra la carga negativa de los electrones.

científico italiano Enrico Fermi(1901-1954) se propusieron descubrir qué pasaría si una corriente de neutrones se dirigiera al átomo más grande conocido: el átomo de uranio. Creía que los neutrones se combinarían con el uranio y formarían un átomo aún más grande.

De hecho, como demostró el físico austriaco Lise Meitner(1878-1968), el átomo de uranio se dividió en dos partes, formando átomos más pequeños como el bario. Al mismo tiempo, también se liberaron neutrones adicionales. Si estos neutrones, a su vez, dividen otros átomos de uranio, podría comenzar una “reacción en cadena” de colisiones y escisiones. Los científicos se dieron cuenta de que cuando los núcleos atómicos se dividían en una reacción en cadena de este tipo, se liberaba una gran cantidad de energía.

Esta energía es suficiente para crear una bomba increíblemente poderosa. Aprovechando esta idea, un grupo de científicos liderados por el estadounidense Robert Oppenheimer (1904-1967) crearon la primera bomba atómica. En agosto de 1945, durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945), se lanzaron bombas de uranio estadounidenses sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. Esto tuvo consecuencias horribles y destructivas.

6. El mundo de las partículas subatómicas.

Dividiendo el átomo

A menudo se dice que hay dos tipos de ciencias: las ciencias grandes y las pequeñas. Dividir el átomo es una gran ciencia. Tiene instalaciones experimentales gigantescas, presupuestos colosales y recibe la mayor parte de los premios Nobel.

¿Por qué los físicos necesitaron dividir el átomo? La respuesta simple -comprender cómo funciona el átomo- contiene sólo una parte de la verdad, pero hay una razón más general. No es del todo correcto hablar literalmente de la división del átomo. En realidad, estamos hablando de la colisión de partículas de alta energía. Cuando las partículas subatómicas que se mueven a altas velocidades chocan, nace un nuevo mundo de interacciones y campos. Los fragmentos de materia cargados de enorme anergia, que se dispersan después de las colisiones, ocultan los secretos de la naturaleza, que desde la “creación del mundo” quedaron enterrados en las profundidades del átomo.

Las instalaciones en las que chocan partículas de alta energía (aceleradores de partículas) llaman la atención por su tamaño y coste. Alcanzan varios kilómetros de diámetro, lo que hace que incluso los laboratorios que estudian las colisiones de partículas parezcan pequeños en comparación. En otras áreas de la investigación científica, el equipo está ubicado en un laboratorio; en física de altas energías, los laboratorios están conectados a un acelerador. Recientemente, el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), ubicado cerca de Ginebra, asignó varios cientos de millones de dólares para construir un acelerador en anillo. La circunferencia del túnel construido a tal efecto alcanza los 27 km. El acelerador, llamado LEP (Anillo grande de electrones y positrones), está diseñado para acelerar los electrones y sus antipartículas (positrones) a velocidades que están a sólo un pelo de la velocidad de la luz. Para tener una idea de la escala de energía, imagine que en lugar de electrones, una moneda de un centavo se acelera a tales velocidades. ¡Al final del ciclo de aceleración, tendría suficiente energía para producir electricidad por valor de 1.000 millones de dólares! No es sorprendente que este tipo de experimentos se clasifiquen habitualmente como física de “alta energía”. Al moverse unos hacia otros dentro del anillo, los haces de electrones y positrones experimentan colisiones frontales, en las que los electrones y los positrones se aniquilan, liberando energía suficiente para producir docenas de otras partículas.

¿Cuáles son estas partículas? Algunos de ellos son los mismos “bloques de construcción” a partir de los cuales estamos construidos: protones y neutrones que forman los núcleos atómicos y electrones que orbitan alrededor de los núcleos. Otras partículas no suelen encontrarse en la materia que nos rodea: su vida útil es extremadamente corta y, una vez expirada, se desintegran en partículas ordinarias. La cantidad de variedades de partículas tan inestables y de vida corta es asombrosa: ya se conocen varios cientos de ellas. Al igual que las estrellas, las partículas inestables son demasiado numerosas para identificarlas por su nombre. Muchos de ellos están indicados únicamente con letras griegas y algunos simplemente con números.

Es importante tener en cuenta que todas estas numerosas y variadas partículas inestables no son literalmente componentes protones, neutrones o electrones. Al chocar, los electrones y positrones de alta energía no se dispersan en muchos fragmentos subatómicos. Incluso durante las colisiones de protones de alta energía, que obviamente están formados por otros objetos (quarks), estos, por regla general, no se dividen en sus componentes en el sentido habitual. Lo que sucede en tales colisiones se ve mejor como la creación directa de nuevas partículas a partir de la energía de la colisión.

Hace unos veinte años, los físicos estaban completamente desconcertados por la cantidad y variedad de nuevas partículas subatómicas, que parecían no tener fin. era imposible entender Para qué tantas partículas. Quizás las partículas elementales sean como los habitantes de un zoológico, con su filiación familiar implícita, pero sin una taxonomía clara. ¿O tal vez, como han creído algunos optimistas, las partículas elementales contienen la clave del universo? ¿Cuáles son las partículas observadas por los físicos: fragmentos de materia insignificantes y aleatorios o los contornos de un orden vagamente percibido que emerge ante nuestros ojos, indicando la existencia de una estructura rica y compleja del mundo subnuclear? Ahora no hay duda de la existencia de tal estructura. Hay un orden profundo y racional en el micromundo, y comenzamos a comprender el significado de todas estas partículas.

El primer paso hacia la comprensión del micromundo se dio como resultado de la sistematización de todas las partículas conocidas, al igual que en el siglo XVIII. Los biólogos compilaron catálogos detallados de especies de plantas y animales. Las características más importantes de las partículas subatómicas incluyen masa, carga eléctrica y espín.

Debido a que la masa y el peso están relacionados, las partículas con gran masa a menudo se denominan "pesadas". La relación de Einstein mi =mc^ 2 indica que la masa de una partícula depende de su energía y, por tanto, de su velocidad. Una partícula en movimiento es más pesada que una partícula en reposo. Cuando hablan de la masa de una partícula, lo dicen en serio. masa en reposo, ya que esta masa no depende del estado de movimiento. Una partícula con masa en reposo cero se mueve a la velocidad de la luz. El ejemplo más obvio de una partícula con masa en reposo cero es el fotón. Se cree que el electrón es la partícula más ligera con una masa en reposo distinta de cero. El protón y el neutrón son casi 2.000 veces más pesados, mientras que la partícula más pesada creada en el laboratorio (la partícula Z) tiene aproximadamente 200.000 veces la masa del electrón.

La carga eléctrica de las partículas varía en un rango bastante estrecho, pero, como hemos señalado, siempre es un múltiplo de la unidad fundamental de carga. Algunas partículas, como los fotones y los neutrinos, no tienen carga eléctrica. Si la carga de un protón con carga positiva se toma como +1, entonces la carga del electrón es -1.

Pulgada. 2 introdujimos otra característica de las partículas: el espín. Además siempre toma valores que son múltiplos de alguna unidad fundamental, que por razones históricas se elige que sea 1 /2. Por tanto, un protón, un neutrón y un electrón tienen un espín. 1/2, y el espín del fotón es 1. También se conocen partículas con espín 0, 3/2 y 2. No se han descubierto partículas fundamentales con espín mayor que 2, y los teóricos creen que no existen partículas con tal espín.

El giro de una partícula es una característica importante y, según su valor, todas las partículas se dividen en dos clases. Las partículas con espín 0, 1 y 2 se denominan "bosones", en honor al físico indio Chatyendranath Bose, y las partículas con espín semientero (es decir, con espín 1/2 o 3/2 - "fermiones" en honor a Enrico Fermi. Pertenecer a una de estas dos clases es probablemente la más importante en la lista de características de una partícula.

Otra característica importante de una partícula es su vida útil. Hasta hace poco se creía que los electrones, protones, fotones y neutrinos eran absolutamente estables, es decir. tener una vida infinitamente larga. El neutrón permanece estable mientras está "encerrado" en el núcleo, pero un neutrón libre decae en unos 15 minutos. Todas las demás partículas conocidas son muy inestables y su vida útil oscila entre unos pocos microsegundos y 10-23 s. Estos intervalos de tiempo parecen incomprensiblemente pequeños, pero no debemos olvidar que una partícula que vuela a una velocidad cercana a la de la luz (y la mayoría de las partículas nacidas en los aceleradores se mueven precisamente a esa velocidad) logra volar una distancia de 300 m en un microsegundo.

Las partículas inestables sufren desintegración, que es un proceso cuántico y, por lo tanto, siempre hay un elemento de imprevisibilidad en la desintegración. La vida útil de una partícula concreta no se puede predecir de antemano. Basándose en consideraciones estadísticas, sólo se puede predecir la vida media. Normalmente se habla de la vida media de una partícula: el tiempo durante el cual la población de partículas idénticas se reduce a la mitad. El experimento muestra que la disminución en el tamaño de la población se produce exponencialmente (ver Fig. 6) y la vida media es 0,693 del tiempo de vida promedio.

A los físicos no les basta con saber que tal o cual partícula existe: se esfuerzan por comprender cuál es su función. La respuesta a esta pregunta depende de las propiedades de las partículas enumeradas anteriormente, así como de la naturaleza de las fuerzas que actúan sobre la partícula desde el exterior y el interior. En primer lugar, las propiedades de una partícula están determinadas por su capacidad (o incapacidad) para participar en interacciones fuertes. Las partículas que participan en interacciones fuertes forman una clase especial y se llaman andrones. Las partículas que participan en interacciones débiles y no participan en interacciones fuertes se llaman leptones, que significa "pulmones". Echemos un vistazo breve a cada una de estas familias.

leptones

El más conocido de los leptones es el electrón. Como todos los leptones, parece ser un objeto elemental puntual. Hasta donde se sabe, el electrón no tiene estructura interna, es decir. no consta de ninguna otra partícula. Aunque los leptones pueden tener o no carga eléctrica, todos tienen el mismo giro. 1/2, por tanto, se clasifican como fermiones.

Otro leptón muy conocido, pero sin carga, es el neutrino. Como ya se mencionó en el Cap. 2, los neutrinos son tan esquivos como los fantasmas. Dado que los neutrinos no participan ni en las interacciones fuertes ni en las electromagnéticas, ignoran casi por completo la materia, penetrando a través de ella como si no existiera en absoluto. El alto poder de penetración de los neutrinos ha hecho que durante mucho tiempo sea muy difícil confirmar experimentalmente su existencia. Sólo casi tres décadas después de que se predijeran los neutrinos, finalmente fueron descubiertos en el laboratorio. Los físicos tuvieron que esperar a la creación de reactores nucleares, durante los cuales se emite una gran cantidad de neutrinos, y solo entonces pudieron registrar la colisión frontal de una partícula con un núcleo y así demostrar que realmente existe. Hoy en día es posible realizar muchos más experimentos con haces de neutrinos que surgen de la desintegración de partículas en un acelerador y que tienen las características necesarias. La gran mayoría de los neutrinos "ignoran" el objetivo, pero de vez en cuando los neutrinos interactúan con el objetivo, lo que proporciona información útil sobre la estructura de otras partículas y la naturaleza de la fuerza débil. Por supuesto, realizar experimentos con neutrinos, a diferencia de los experimentos con otras partículas subatómicas, no requiere el uso de protección especial. El poder de penetración de los neutrinos es tan grande que son completamente inofensivos y atraviesan el cuerpo humano sin causarle el menor daño.

A pesar de su intangibilidad, los neutrinos ocupan una posición especial entre otras partículas conocidas porque son las partículas más abundantes en todo el Universo, superando en número a los electrones y protones en una proporción de mil millones a uno. El universo es esencialmente un mar de neutrinos, con inclusiones ocasionales en forma de átomos. Incluso es posible que la masa total de los neutrinos exceda la masa total de las estrellas y, por lo tanto, son los neutrinos los que hacen la principal contribución a la gravedad cósmica. Según un grupo de investigadores soviéticos, los neutrinos tienen una masa en reposo diminuta, pero no nula (menos de una diezmilésima parte de la masa de un electrón); Si esto es cierto, entonces los neutrinos gravitacionales dominan el Universo, lo que en el futuro puede provocar su colapso. Así, los neutrinos, a primera vista las partículas más “inofensivas” e incorpóreas, son capaces de provocar el colapso de todo el Universo.

Entre otros leptones, cabe mencionar el muón, descubierto en 1936 en los productos de la interacción de los rayos cósmicos; resultó ser una de las primeras partículas subatómicas inestables conocidas. En todos los aspectos excepto en la estabilidad, el muón se parece a un electrón: tiene la misma carga y espín, participa en las mismas interacciones, pero tiene una masa mayor. En aproximadamente dos millonésimas de segundo, el muón se desintegra en un electrón y dos neutrinos. Los muones están muy extendidos en la naturaleza y representan una parte importante de la radiación cósmica de fondo que detecta un contador Geiger en la superficie de la Tierra.

Durante muchos años, el electrón y el muón siguieron siendo los únicos leptones cargados conocidos. Luego, a finales de la década de 1970, se descubrió un tercer leptón cargado, llamado leptón tau. Con una masa de aproximadamente 3500 masas de electrones, el leptón tau es obviamente el "peso pesado" del trío de leptones cargados, pero en todos los demás aspectos se comporta como un electrón y un muón.

Esta lista de leptones conocidos no está en absoluto agotada. En los años 60 se descubrió que existen varios tipos de neutrinos. Los neutrinos de un tipo nacen junto con un electrón durante la desintegración de un neutrón y los neutrinos de otro tipo nacen durante el nacimiento de un muón. Cada tipo de neutrino existe en pares con su propio leptón cargado; por lo tanto, hay un "neutrino electrónico" y un "neutrino muónico". Con toda probabilidad, también debería haber un tercer tipo de neutrino, que acompañaría el nacimiento del leptón tau. En este caso, el número total de variedades de neutrinos es tres y el número total de leptones es seis (Tabla 1). Por supuesto, cada leptón tiene su propia antipartícula; por tanto, el número total de leptones diferentes es doce.

tabla 1

Seis leptones corresponden a modificaciones cargadas y neutras (las antipartículas no están incluidas en la tabla). La masa y la carga se expresan en unidades de masa y carga de electrones, respectivamente. Hay evidencia de que los neutrinos pueden tener poca masa

hadrones

A diferencia del puñado de leptones conocidos, hay literalmente cientos de hadrones. Esto por sí solo sugiere que los hadrones no son partículas elementales, sino que están formados por componentes más pequeños. Todos los hadrones participan en interacciones fuertes, débiles y gravitacionales, pero se encuentran en dos variedades: cargados eléctricamente y neutros. Entre los hadrones, los más famosos y ampliamente distribuidos son el neutrón y el protón. Los hadrones restantes tienen una vida corta y se desintegran en menos de una millonésima de segundo debido a la interacción débil, o mucho más rápido (en un tiempo del orden de 10 a 23 s), debido a la interacción fuerte.

En la década de 1950, los físicos estaban extremadamente desconcertados por el número y la diversidad de los hadrones. Pero poco a poco las partículas se fueron clasificando según tres características importantes: masa, carga y espín. Poco a poco, empezaron a aparecer señales de orden y empezó a surgir una imagen clara. Hay indicios de que hay simetrías escondidas detrás del aparente caos de los datos. Un paso decisivo para desentrañar el misterio de los hadrones se produjo en 1963, cuando Murray Gell-Mann y George Zweig, del Instituto de Tecnología de California, propusieron la teoría de los quarks.

Fig.10 Los hadrones se construyen a partir de quarks. Un protón (arriba) está formado por dos quarks up y un quark d. El pión más ligero (abajo) es un mesón, que consta de un quark u y un antiquark d. Otros hadrones son todo tipo de combinaciones de quarks.

La idea principal de esta teoría es muy sencilla. Todos los hadrones están formados por partículas más pequeñas llamadas quarks. Los quarks pueden conectarse entre sí de dos formas posibles: en tripletes o en pares quark-antiquark. Las partículas relativamente pesadas están formadas por tres quarks: bariones, que significa "partículas pesadas". Los bariones más conocidos son el neutrón y el protón. Los pares quark-antiquark más ligeros forman partículas llamadas mesones -"partículas intermedias". La elección de este nombre se explica por el hecho de que los primeros mesones descubiertos ocupaban una posición intermedia en masa entre los electrones y los protones. Para tener en cuenta todos los hadrones entonces conocidos, Gell-Mann y Zweig introdujeron tres tipos diferentes (“sabores”) de quarks, que recibieron nombres bastante extravagantes: Y(de arriba- superior), d(de abajo - inferior) y s (de extraño- extraño). Al permitir la posibilidad de varias combinaciones de sabores, se puede explicar la existencia de una gran cantidad de hadrones. Por ejemplo, un protón consta de dos Y- y un quark d (Fig. 10), y el neutrón está formado por dos quarks d y un quark u.

Para que la teoría propuesta por Gell-Mann y Zweig sea eficaz, es necesario suponer que los quarks llevan una carga eléctrica fraccionada. En otras palabras, tienen una carga cuyo valor es 1/3 o 2/3 de la unidad fundamental: la carga del electrón. Una combinación de dos y tres quarks puede tener una carga total de cero o uno. Todos los quarks tienen espín 1/2. por lo tanto se clasifican como fermiones. Las masas de los quarks no se determinan con tanta precisión como las masas de otras partículas, ya que su energía de enlace en un hadrón es comparable a las masas de los propios quarks. Sin embargo, se sabe que el quark s es más pesado. Y- y quarks d.

Dentro de los hadrones, los quarks pueden estar en estados excitados, muy parecidos a los estados excitados de un átomo, pero con energías mucho más altas. El exceso de energía contenido en un hadrón excitado aumenta tanto su masa que antes de la creación de la teoría de los quarks, los físicos confundían los hadrones excitados con partículas completamente diferentes. Ahora se ha establecido que muchos de los hadrones aparentemente diferentes son en realidad sólo estados excitados del mismo conjunto fundamental de quarks.

Como ya se mencionó en el Cap. 5, los quarks se mantienen unidos mediante una fuerte interacción. Pero también participan en interacciones débiles. La interacción débil puede cambiar el sabor de un quark. Así es como se produce la desintegración de los neutrones. Uno de los quarks d del neutrón se convierte en un quark u y el exceso de carga se lleva el electrón que nace al mismo tiempo. De manera similar, al cambiar el sabor, la interacción débil conduce a la desintegración de otros hadrones.

La existencia de los quarks s es necesaria para la construcción de las llamadas partículas "extrañas": los hadrones pesados, descubiertos a principios de los años 50. El comportamiento inusual de estas partículas, que sugiere su nombre, era que no podían desintegrarse debido a interacciones fuertes, aunque tanto ellas mismas como sus productos de desintegración eran hadrones. Los físicos se han preguntado por qué, si tanto la partícula madre como la hija pertenecen a la familia de los hadrones, la fuerza fuerte no provoca su desintegración. Por alguna razón, estos hadrones "preferían" la interacción débil, mucho menos intensa. ¿Por qué? La teoría de los quarks resolvió naturalmente este misterio. La interacción fuerte no puede cambiar el sabor de los quarks; sólo la interacción débil puede hacerlo. Y sin cambio de sabor, acompañado de la transformación del s-quark en Y- o d-quark, la desintegración es imposible.

En mesa La Figura 2 presenta las diversas combinaciones posibles de quarks de tres sabores y sus nombres (normalmente sólo una letra griega). No se muestran numerosos estados excitados. El hecho de que todos los hadrones conocidos pudieran obtenerse a partir de diversas combinaciones de las tres partículas fundamentales simbolizó el principal triunfo de la teoría de los quarks. Pero a pesar de este éxito, sólo unos años más tarde fue posible obtener pruebas físicas directas de la existencia de los quarks.

Esta evidencia se obtuvo en 1969 en una serie de experimentos históricos realizados en el gran acelerador lineal de Stanford (California, EE. UU.) - SLAC. Los experimentadores de Stanford razonaron de forma sencilla. Si realmente hay quarks en el protón, entonces se pueden observar colisiones con estas partículas dentro del protón. Todo lo que se necesita es un “proyectil” subnuclear que pueda apuntar directamente a las profundidades del protón. De nada sirve utilizar otro hadrón para este fin, ya que tiene las mismas dimensiones que un protón. Un proyectil ideal sería un leptón, como un electrón. Como el electrón no participa en la interacción fuerte, no “quedará atrapado” en el medio formado por los quarks. Al mismo tiempo, un electrón puede sentir la presencia de quarks debido a la presencia de una carga eléctrica.

Tabla 2

Los tres tipos de quarks, u, d y s, corresponden a las cargas +2/3, -1/3 y -1/3; se combinan de tres en tres para formar los ocho bariones que se muestran en la tabla. Los pares quark-antiquark forman mesones. (Se omiten algunas combinaciones, como sss).

En el experimento de Stanford, el acelerador de tres kilómetros actuó esencialmente como un "microscopio" electrónico gigante que producía imágenes del interior de un protón. Un microscopio electrónico convencional puede distinguir detalles de menos de una millonésima de centímetro. Un protón, por el contrario, es varias decenas de millones de veces más pequeño y sólo puede ser "sondeado" por electrones acelerados a una energía de 2,1010 eV. En la época de los experimentos de Stanford, pocos físicos se adherían a la teoría simplificada de los quarks. La mayoría de los científicos esperaban que los electrones fueran desviados por las cargas eléctricas de los protones, pero se suponía que la carga estaba distribuida uniformemente dentro del protón. Si esto fuera realmente así, se produciría principalmente una dispersión débil de electrones, es decir, Al pasar a través de protones, los electrones no sufrirían desviaciones fuertes. El experimento demostró que el patrón de dispersión difiere marcadamente del esperado. Todo sucedió como si unos electrones volaran hacia pequeñas inclusiones sólidas y rebotaran en ellas en los ángulos más increíbles. Ahora sabemos que esas inclusiones sólidas dentro de los protones son quarks.

En 1974, la versión simplificada de la teoría de los quarks, que en ese momento había ganado reconocimiento entre los teóricos, recibió un duro golpe. Con unos pocos días de diferencia, dos grupos de físicos estadounidenses, uno en Stanford dirigido por Barton Richter, el otro en el Laboratorio Nacional de Brookhaven dirigido por Samuel Ting, anunciaron de forma independiente el descubrimiento de un nuevo hadrón, al que llamaron partícula psi. En sí mismo, el descubrimiento de un nuevo hadrón difícilmente sería particularmente notable si no fuera por una circunstancia: el hecho es que en el esquema propuesto por la teoría de los quarks no había lugar para una sola partícula nueva. Todas las combinaciones posibles de quarks up, d y s y sus antiquarks ya se han “agotado”. ¿En qué consiste una partícula psi?

El problema se resolvió recurriendo a una idea que había estado en el aire durante algún tiempo: debería haber un cuarto olor que nadie había observado antes. La nueva fragancia ya tenía su nombre: charm (charm), o s. Se ha sugerido que una partícula psi es un mesón que consta de un quark c y un antiquark c (c), es decir cc. Dado que los antiquarks son portadores de anti-sabor, el encanto de la partícula psi se neutraliza y, por lo tanto, la confirmación experimental de la existencia de un nuevo sabor (encanto) tuvo que esperar hasta que se descubrieron los mesones, en los que los quarks encanto se combinaron con anti-quarkamps. de otros sabores. Ahora se conoce toda una serie de partículas encantadas. Todos son muy pesados, por lo que el quark charm resulta ser más pesado que el quark extraño.

La situación descrita anteriormente se repitió en 1977, cuando apareció en escena el llamado mesón upsilon (UPSILON). Esta vez, sin mucha vacilación, se introdujo un quinto sabor, llamado b-quark (de abajo - abajo, y más a menudo belleza - belleza o encanto). El mesón upsilon es un par quark-antiquark formado por quarks b y, por tanto, tiene una belleza oculta; pero, como en el caso anterior, una combinación diferente de quarks permitió finalmente descubrir la “belleza”.

Las masas relativas de los quarks pueden juzgarse al menos por el hecho de que el mesón más ligero, el pión, está formado por pares Y- y d-quarks con antiquarks. El mesón psi es aproximadamente 27 veces más pesado y el mesón upsilon es al menos 75 veces más pesado que el pión.

La ampliación gradual de la lista de sabores conocidos se produjo en paralelo con el aumento del número de leptones; de modo que la pregunta obvia era si alguna vez habría un final. Los quarks se introdujeron para simplificar la descripción de toda la variedad de hadrones, pero incluso ahora existe la sensación de que la lista de partículas vuelve a crecer demasiado rápido.

Desde la época de Demócrito, la idea fundamental del atomismo ha sido el reconocimiento de que, en una escala suficientemente pequeña, deben existir partículas verdaderamente elementales, cuyas combinaciones forman la materia que nos rodea. El atomismo es atractivo porque las partículas fundamentales indivisibles (por definición) deben existir en un número muy limitado. La diversidad de la naturaleza se debe a la gran cantidad no de sus partes constituyentes, sino de sus combinaciones. Cuando se descubrió que había muchos núcleos atómicos diferentes, desapareció la esperanza de que lo que hoy llamamos átomos correspondiera a la idea de los antiguos griegos sobre las partículas elementales de la materia. Y aunque, según la tradición, seguimos hablando de varios "elementos" químicos, se sabe que los átomos no son elementales en absoluto, sino que están formados por protones, neutrones y electrones. Y dado que el número de quarks resulta ser demasiado grande, resulta tentador suponer que también son sistemas complejos formados por partículas más pequeñas.

Aunque por esta razón existe cierto descontento con el esquema de los quarks, la mayoría de los físicos consideran que los quarks son partículas verdaderamente elementales: puntuales, indivisibles y sin estructura interna. En este sentido se parecen a las peptonas y durante mucho tiempo se ha asumido que debe haber una relación profunda entre estas dos familias distintas pero estructuralmente similares. La base de este punto de vista surge de una comparación de las propiedades de los leptones y los quarks (Tabla 3). Los leptones se pueden agrupar en pares asociando cada leptón cargado con un neutrino correspondiente. Los quarks también se pueden agrupar en pares. Mesa 3 está compuesto de tal manera que la estructura de cada celda repite la que se encuentra directamente frente a ella. Por ejemplo, en la segunda celda el muón se representa como un "electrón pesado" y los quarks charm y extraños se representan como variantes pesadas. Y- y quarks d. En el siguiente cuadro se puede ver que el leptón tau es un "electrón" aún más pesado, y el quark b es una versión más pesada del quark d. Para una analogía completa, necesitamos otro neutrino (tau-leptonio) y un sexto tipo de quarks, que ya se llama verdadero. (verdad, t). En el momento en que se escribió este libro, la evidencia experimental de la existencia de los quarks top aún no era lo suficientemente convincente, y algunos físicos dudaban de que los quarks top existieran en absoluto.

Tabla 3

Los leptones y los quarks se emparejan de forma natural. como se muestra en la tabla. El mundo que nos rodea está formado por las primeras cuatro partículas. Pero los siguientes grupos, aparentemente, repiten el superior y están formados, en la corona de neutrinos, por partículas extremadamente inestables.

¿Puede haber un cuarto, un quinto, etc.? ¿Vapores que contienen partículas aún más pesadas? De ser así, la próxima generación de aceleradores probablemente brindará a los físicos la oportunidad de detectar dichas partículas. Sin embargo, se expresa una consideración interesante, de la que se deduce que no existen otros pares excepto los tres nombrados. Esta consideración se basa en el número de tipos de neutrinos. Pronto sabremos que en el momento del Big Bang, que marcó el surgimiento del Universo, hubo una intensa creación de neutrinos. Una especie de democracia garantiza a cada tipo de partícula la misma proporción de energía que las demás; por lo tanto, cuantos más tipos diferentes de neutrinos haya, más energía habrá en el mar de neutrinos que llena el espacio exterior. Los cálculos muestran que si hubiera más de tres variedades de neutrinos, la gravedad creada por todas ellas tendría un fuerte efecto perturbador en los procesos nucleares que tuvieron lugar en los primeros minutos de la vida del Universo. En consecuencia, de estas consideraciones indirectas se desprende una conclusión muy plausible de que los tres pares que se muestran en la tabla. 3, todos los quarks y leptones que existen en la naturaleza están agotados.

Es interesante observar que toda la materia ordinaria del Universo consta de sólo dos leptones más ligeros (electrón y neutrino electrónico) y dos quarks más ligeros ( Y Y d). Si todos los demás leptones y quarks dejaran de existir repentinamente, entonces probablemente muy poco cambiaría en el mundo que nos rodea.

Quizás los quarks y leptones más pesados ​​desempeñan el papel de una especie de respaldo para los quarks y leptones más ligeros. Todos ellos son inestables y se desintegran rápidamente en partículas ubicadas en la celda superior. Por ejemplo, el leptón tau y el muón se desintegran en electrones, mientras que las partículas extrañas, encantadas y hermosas se desintegran con bastante rapidez en neutrones o protones (en el caso de los bariones) o leptones (en el caso de los mesones). Surge la pregunta: Para qué¿Existen todas estas partículas de segunda y tercera generación? ¿Por qué la naturaleza los necesitaba?

Las partículas son portadoras de interacciones.

La lista de partículas conocidas no se agota en absoluto con seis pares de leptones y quarks, que forman la materia prima de la materia. Algunos de ellos, como el fotón, no están incluidos en el circuito de los quarks. Las partículas "dejadas por la borda" no son "bloques de construcción del universo", sino que forman una especie de "pegamento" que no permite que el mundo se desmorone, es decir. están asociados con cuatro interacciones fundamentales.

Recuerdo que cuando era niño me decían que la luna hace que los océanos suban y bajen durante las mareas diarias. Siempre ha sido un misterio para mí cómo el océano sabe dónde está la Luna y sigue su movimiento en el cielo. Cuando aprendí sobre la gravedad en la escuela, mi desconcierto no hizo más que intensificarse. ¿Cómo logra la Luna, después de superar un cuarto de millón de kilómetros de espacio vacío, “alcanzar” el océano? La respuesta estándar: la Luna crea un campo gravitacional en este espacio vacío, cuya acción llega al océano y lo pone en movimiento, por supuesto, tenía cierto sentido, pero aún así no me satisfizo del todo. Después de todo, no podemos ver el campo gravitacional de la Luna. ¿Quizás eso es sólo lo que dicen? ¿Esto realmente explica algo? Siempre me pareció que la luna de alguna manera debía decirle al océano dónde está. Debe haber algún tipo de intercambio de señales entre la luna y el océano para que el agua sepa hacia dónde moverse.

Con el tiempo, resultó que la idea de la fuerza transmitida a través del espacio en forma de señal no está tan lejos del enfoque moderno de este problema. Para entender cómo surge esta idea, debemos considerar con más detalle la naturaleza del campo de fuerza. Como ejemplo, no elijamos las mareas oceánicas, sino un fenómeno más simple: dos electrones se acercan y luego, bajo la influencia de la repulsión electrostática, se separan en diferentes direcciones. Los físicos llaman a este proceso el problema de la dispersión. Por supuesto, los electrones no se empujan literalmente entre sí. Interactúan a distancia, a través del campo electromagnético generado por cada electrón.

Figura 11. Dispersión de dos partículas cargadas. Las trayectorias de las partículas se curvan a medida que se acercan entre sí debido a la acción de la repulsión eléctrica.

No es difícil imaginar la imagen de la dispersión de electrón a electrón. Inicialmente, los electrones están separados por una gran distancia y tienen poco efecto entre sí. Cada electrón se mueve casi en línea recta (Fig. 11). Luego, a medida que entran en juego fuerzas repulsivas, las trayectorias de los electrones comienzan a doblarse hasta que las partículas están lo más cerca posible; después de eso, las trayectorias divergen y los electrones se separan, comenzando nuevamente a moverse a lo largo de trayectorias rectilíneas, pero ya divergentes. Un modelo de este tipo puede demostrarse fácilmente en el laboratorio utilizando bolas cargadas eléctricamente en lugar de electrones. Y nuevamente surge la pregunta: ¿cómo "sabe" una partícula dónde está otra partícula y, en consecuencia, cambia su movimiento?

Aunque la imagen de las trayectorias curvas de los electrones es bastante visual, es completamente inadecuada en varios aspectos. El caso es que los electrones son partículas cuánticas y su comportamiento obedece a leyes específicas de la física cuántica. En primer lugar, los electrones no se mueven en el espacio siguiendo trayectorias bien definidas. Todavía podemos determinar de una forma u otra los puntos inicial y final del camino, antes y después de la dispersión, pero el camino en sí en el intervalo entre el comienzo y el final del movimiento sigue siendo desconocido e incierto. Además, la idea intuitiva de un intercambio continuo de energía y momento entre el electrón y el campo, como si acelerara el electrón, contradice la existencia de fotones. La energía y el impulso se pueden transferir. campo sólo en porciones o cuantos. Obtendremos una imagen más precisa de la perturbación introducida por el campo en el movimiento del electrón suponiendo que el electrón, al absorber un fotón del campo, parece experimentar un empujón repentino. Por lo tanto, a nivel cuántico, el acto de dispersar un electrón sobre otro electrón se puede representar como se muestra en la figura. 12. La línea ondulada que conecta las trayectorias de dos electrones corresponde a un fotón emitido por un electrón y absorbido por el otro. Ahora el acto de dispersión aparece como un cambio repentino en la dirección del movimiento de cada electrón.

Figura 12. Descripción cuántica de la dispersión de partículas cargadas. La interacción de partículas se debe al intercambio de un portador de interacción, o fotón virtual (línea ondulada).

Richard Feynman utilizó por primera vez diagramas de este tipo para representar visualmente los distintos términos de una ecuación, y al principio tenían un significado puramente simbólico. Pero luego se empezaron a utilizar los diagramas de Feynman para representar esquemáticamente las interacciones de las partículas. Estas imágenes parecen complementar la intuición del físico, pero deben interpretarse con cierta cautela. Por ejemplo, nunca hay una interrupción brusca en la trayectoria del electrón. Como sólo conocemos las posiciones inicial y final de los electrones, no sabemos exactamente cuándo se intercambia el fotón y qué partícula emite y cuál absorbe el fotón. Todos estos detalles están ocultos tras un velo de incertidumbre cuántica.

A pesar de esta advertencia, los diagramas de Feynman han demostrado ser un medio eficaz para describir interacciones cuánticas. El fotón intercambiado entre los electrones puede considerarse como una especie de mensajero de uno de los electrones que le dice al otro: "¡Estoy aquí, así que muévete!". Por supuesto, todos los procesos cuánticos son de naturaleza probabilística, por lo que tal intercambio ocurre sólo con una cierta probabilidad. Puede suceder que los electrones intercambien dos o más fotones (Fig. 13), aunque esto es menos probable.

Es importante darse cuenta de que en realidad no vemos fotones corriendo de un electrón a otro. Los portadores de interacción son la "materia interna" de dos electrones. Existen únicamente para indicar a los electrones cómo moverse y, aunque transportan energía y momento, las correspondientes leyes de conservación de la física clásica no se aplican a ellos. Los fotones en este caso pueden compararse con una pelota que los jugadores de tenis intercambian en la cancha. Así como una pelota de tenis determina el comportamiento de los jugadores de tenis en el campo de juego, un fotón influye en el comportamiento de los electrones.

La descripción exitosa de la interacción utilizando una partícula portadora fue acompañada por una expansión del concepto de fotón: un fotón resulta ser no sólo una partícula de luz visible para nosotros, sino también una partícula fantasmal que sólo es "vista" por personas cargadas. partículas en proceso de dispersión. A veces los fotones que observamos se llaman real, y los fotones que transportan la interacción son virtual, lo que nos recuerda su existencia fugaz, casi fantasmal. La distinción entre fotones reales y virtuales es algo arbitraria, pero, sin embargo, estos conceptos se han generalizado.

La descripción de la interacción electromagnética utilizando el concepto de fotones virtuales, sus portadores, va más allá de las meras ilustraciones de naturaleza cuántica. En realidad, estamos hablando de una teoría pensada hasta el más mínimo detalle y dotada de un perfecto aparato matemático, conocido como electrodinámica cuántica, Abreviado como QED. Cuando la QED se formuló por primera vez poco después de la Segunda Guerra Mundial, los físicos tenían a su disposición una teoría que satisfacía los principios básicos tanto de la teoría cuántica como de la relatividad. Esta es una maravillosa oportunidad para ver las manifestaciones combinadas de dos aspectos importantes de la nueva física y. comprobarlos experimentalmente.

En teoría, la creación de QED fue un logro sobresaliente. Los estudios anteriores sobre la interacción de fotones y electrones tuvieron un éxito muy limitado debido a dificultades matemáticas. Pero tan pronto como los teóricos aprendieron a realizar los cálculos correctamente, todo lo demás encajó. QED propuso un procedimiento para obtener los resultados de cualquier proceso, por complejo que fuera, en el que intervinieran fotones y electrones.

Figura 13. La dispersión de electrones se produce por el intercambio de dos fotones virtuales. Dichos procesos constituyen una pequeña modificación del proceso principal que se muestra en la Fig. once

Para comprobar hasta qué punto la teoría coincidía con la realidad, los físicos se centraron en dos efectos que eran de particular interés. El primero se refería a los niveles de energía del átomo de hidrógeno, el átomo más simple. QED predijo que los niveles deberían desplazarse ligeramente de la posición que ocuparían si no existieran los fotones virtuales. La teoría predijo con mucha precisión la magnitud de este cambio. El experimento para detectar y medir el desplazamiento con extrema precisión fue realizado por Willis Lamb de la Universidad del Estado. Arizona. Para deleite de todos, los resultados del cálculo coincidieron perfectamente con los datos experimentales.

La segunda prueba decisiva de QED se centró en la corrección extremadamente pequeña del momento magnético del propio electrón. Y nuevamente, los resultados de los cálculos teóricos y los experimentos coincidieron completamente. Los teóricos empezaron a perfeccionar sus cálculos y los experimentadores empezaron a mejorar sus instrumentos. Pero, aunque la precisión tanto de las predicciones teóricas como de los resultados experimentales ha mejorado continuamente, la concordancia entre QED y el experimento sigue siendo impecable. Hoy en día, los resultados teóricos y experimentales siguen coincidiendo dentro de los límites de la precisión alcanzada, lo que supone una coincidencia de más de nueve decimales. Una correspondencia tan sorprendente da derecho a considerar la QED como la más avanzada de las teorías de las ciencias naturales existentes.

No hace falta decir que después de tal triunfo, la QED fue adoptada como modelo para la descripción cuántica de las otras tres interacciones fundamentales. Por supuesto, los campos asociados con otras interacciones deben corresponder a otras partículas portadoras. Para describir la gravedad se introdujo gravitón, desempeñando el mismo papel que un fotón. Durante la interacción gravitacional de dos partículas, se intercambian gravitones entre ellas. Esta interacción se puede visualizar usando diagramas similares a los que se muestran en la Fig. 12 y 13. Son los gravitones los que transportan señales desde la Luna a los océanos, tras lo cual suben durante las mareas altas y caen durante las mareas bajas. Los gravitones que corren entre la Tierra y el Sol mantienen nuestro planeta en órbita. Los gravitones nos encadenan firmemente a la Tierra.

Al igual que los fotones, los gravitones viajan a la velocidad de la luz, por lo que los gravitones son partículas con “masa en reposo cero”. Pero aquí es donde terminan las similitudes entre gravitones y fotones. Mientras que un fotón tiene un espín de 1, un gravitón tiene un espín de 2.

Tabla 4

Partículas que llevan cuatro interacciones fundamentales. La masa se expresa en unidades de masa de protones.

Esta es una diferencia importante porque determina la dirección de la fuerza: en la interacción electromagnética, las partículas con carga similar, como los electrones, se repelen, mientras que en la interacción gravitacional, todas las partículas se atraen entre sí.

Los gravitones pueden ser reales o virtuales. Un gravitón real no es más que un cuanto de onda gravitacional, así como un fotón real es un cuanto de onda electromagnética. En principio, se pueden “observar” gravitones reales. Pero como la interacción gravitacional es increíblemente débil, los gravitones no pueden detectarse directamente. La interacción de los gravitones con otras partículas cuánticas es tan débil que la probabilidad de dispersión o absorción de un gravitón, por ejemplo, por un protón es infinitamente pequeña.

La idea básica del intercambio de partículas portadoras también se aplica a otras interacciones (Tabla 4): débiles y fuertes. Sin embargo, existen diferencias importantes en los detalles. Recordemos que la interacción fuerte proporciona la conexión entre los quarks. Esta conexión puede crearse mediante un campo de fuerza similar al electromagnético, pero más complejo. Las fuerzas eléctricas conducen a la formación de un estado unido de dos partículas con cargas de signos opuestos. En el caso de los quarks surgen estados ligados de tres partículas, lo que indica una naturaleza más compleja del campo de fuerza, al que corresponden tres tipos de “carga”. Partículas: portadoras de interacción entre quarks, que los conectan en pares o tripletes, se denominan gluones.

En el caso de una interacción débil la situación es algo diferente. El radio de esta interacción es extremadamente pequeño. Por tanto, los portadores de la interacción débil deben ser partículas con grandes masas en reposo. La energía contenida en dicha masa debe “tomar prestada” de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, que ya se analizó en la pág. 50. Pero como la masa "prestada" (y por tanto la energía) es tan grande, el principio de incertidumbre exige que el período de reembolso de dicho préstamo sea extremadamente corto: sólo unos 10^-28s. Estas partículas de vida corta no tienen tiempo de moverse muy lejos y el radio de interacción que transportan es muy pequeño.

En realidad, existen dos tipos de transportadores de fuerzas débiles. Uno de ellos es similar a un fotón en todo excepto en masa en reposo. Estas partículas se llaman partículas Z. Las partículas Z son esencialmente un nuevo tipo de luz. Otro tipo de portador de fuerza débil, las partículas W, se diferencian de las partículas Z por la presencia de una carga eléctrica. Pulgada. 7 discutiremos con más detalle las propiedades de las partículas Z y W, que fueron descubiertas recién en 1983.

La clasificación de las partículas en quarks, leptones y portadores de interacciones completa la lista de partículas subatómicas conocidas. Cada una de estas partículas juega su propio papel, pero decisivo, en la formación del Universo. Si no hubiera partículas portadoras, no habría interacciones y cada partícula permanecería en la oscuridad respecto de sus compañeras. No podrían surgir sistemas complejos, cualquier actividad sería imposible. Sin quarks no habría núcleos atómicos ni luz solar. Sin leptones, los átomos no podrían existir, las estructuras químicas y la vida misma no surgirían.

¿Cuáles son los objetivos de la física de partículas?

El influyente periódico británico The Guardian publicó una vez un editorial cuestionando la sabiduría de desarrollar la física de partículas, una empresa costosa que consume no sólo una parte significativa del presupuesto científico del país, sino también la mayor parte de las mejores mentes. "¿Saben los físicos lo que están haciendo?", preguntó The Guardian. "Incluso si lo supieran, ¿de qué sirve? ¿Quién, además de los físicos, necesita todas estas partículas?"

Unos meses después de esta publicación, tuve la oportunidad de asistir a una conferencia en Baltimore impartida por George Keyworth, asesor científico del presidente de Estados Unidos. Keyworth también abordó la física de partículas, pero su conferencia adoptó un tono completamente diferente. Los físicos estadounidenses quedaron impresionados por un informe reciente del CERN, el principal laboratorio de física de partículas de Europa, sobre el descubrimiento de las partículas fundamentales W y Z, que finalmente se obtuvieron en un gran colisionador de haces de protones y antiprotones. Los estadounidenses están acostumbrados a que todos los descubrimientos sensacionales se realicen en sus laboratorios de física de alta energía. ¿No es el hecho de que perdieron la palma una señal de decadencia científica e incluso nacional?

Keyworth no tenía dudas de que para que Estados Unidos en general y la economía estadounidense en particular prosperaran, el país necesitaba estar a la vanguardia de la investigación científica. Los grandes proyectos de investigación básica, afirmó Keyworth, están a la vanguardia del progreso. Estados Unidos debe recuperar su supremacía en física de partículas,

Esa misma semana, los canales de noticias circularon informes sobre un proyecto estadounidense de un acelerador gigante diseñado para llevar a cabo una nueva generación de experimentos en física de partículas. El coste principal se estimó en 2.000 millones de dólares, lo que convierte a este acelerador en la máquina más cara jamás construida por el hombre. ¡Este gigante del Tío Sam, que eclipsaría incluso al nuevo acelerador LEP del CERN, es tan grande que todo el estado de Luxemburgo podría caber dentro de su anillo! Los imanes superconductores gigantes están diseñados para crear intensos campos magnéticos que enrollarán un haz de partículas y lo dirigirán a lo largo de una cámara en forma de anillo; Es una estructura tan grande que se supone que el nuevo acelerador estará ubicado en el desierto. Me gustaría saber qué piensa el editor del periódico The Guardian sobre esto.

Conocido como Supercolisionador superconductor (SSC), pero más a menudo denominado "de-zertron" (del inglés. desierto - desierto. - Ed.), esta monstruosa máquina podrá acelerar protones a energías aproximadamente 20 mil veces superiores a la energía en reposo (masa). Estos números se pueden interpretar de diferentes maneras. Con la máxima aceleración, las partículas se moverán a una velocidad de sólo 1 km/h menos que la velocidad de la luz, la velocidad máxima del Universo. Los efectos relativistas son tan grandes que la masa de cada partícula es 20 mil veces mayor que en reposo. En el sistema asociado a una partícula de este tipo, el tiempo se alarga tanto que 1 s corresponde a 5,5 horas en nuestro sistema de referencia. Cada kilómetro de la cámara a través de la cual pasa la partícula “parecerá” estar comprimido a sólo 5,0 cm.

¿Qué tipo de necesidad extrema obliga a los Estados a gastar recursos tan enormes en la fisión del átomo, cada vez más destructiva? ¿Hay algún beneficio práctico en dicha investigación?

Cualquier gran ciencia, por supuesto, no es ajena al espíritu de lucha por la prioridad nacional. Aquí, como en el arte o en el deporte, es bonito ganar premios y reconocimiento mundial. La física de partículas se ha convertido en una especie de símbolo del poder estatal. Si se desarrolla con éxito y produce resultados tangibles, esto indica que la ciencia, la tecnología y la economía del país en su conjunto se encuentran básicamente en el nivel adecuado. Esto respalda la confianza en la alta calidad de los productos de otras ramas tecnológicas más generales. Crear un acelerador y todo el equipo asociado requiere un nivel muy alto de profesionalismo. La valiosa experiencia obtenida mediante el desarrollo de nuevas tecnologías puede tener efectos inesperados y beneficiosos en otras áreas de la investigación científica. Por ejemplo, en los EE.UU. se llevan a cabo desde hace veinte años investigaciones y desarrollo sobre los imanes superconductores necesarios para el "desertrón". Sin embargo, no aportan beneficios directos y, por tanto, son difíciles de valorar. ¿Hay resultados más tangibles?

A veces se oye otro argumento en apoyo de la investigación fundamental. La física tiende a estar unos cincuenta años por delante de la tecnología. La aplicación práctica de un descubrimiento científico particular no es nada obvia al principio, pero sólo unos pocos de los logros importantes de la física fundamental no han encontrado aplicaciones prácticas con el tiempo. Recordemos la teoría del electromagnetismo de Maxwell: ¿podría su creador haber previsto la creación y el éxito de las telecomunicaciones y la electrónica modernas? ¿Y qué pasa con las palabras de Rutherford de que es poco probable que la energía nuclear encuentre alguna vez una aplicación práctica? ¿Es posible predecir a qué puede conducir el desarrollo de la física de partículas elementales, qué nuevas fuerzas y nuevos principios se descubrirán que ampliarán nuestra comprensión del mundo que nos rodea y nos darán poder sobre una gama más amplia de fenómenos físicos? Y esto podría conducir al desarrollo de tecnologías de naturaleza no menos revolucionaria que la radio o la energía nuclear.

La mayoría de las ramas de la ciencia finalmente encontraron alguna aplicación militar. En este sentido, la física de partículas (a diferencia de la física nuclear) ha permanecido hasta ahora intocable. Por coincidencia, la conferencia de Keyworth coincidió con el revuelo publicitario en torno al controvertido proyecto del presidente Reagan para crear un arma antimisiles, la llamada de haz (este proyecto es parte de un programa llamado Iniciativa de Defensa Estratégica, SDI). La esencia de este proyecto es utilizar rayos de partículas de alta energía contra misiles enemigos. Esta aplicación de la física de partículas es verdaderamente siniestra.

La opinión predominante es que la creación de tales dispositivos no es factible. La mayoría de los científicos que trabajan en el campo de la física de partículas elementales consideran que estas ideas son absurdas y antinaturales y se oponen tajantemente a la propuesta del presidente. Keyworth condenó a los científicos y los instó a "considerar qué papel podrían desempeñar" en el proyecto del arma de rayos. El llamamiento de Keyworth a los físicos (por pura casualidad, por supuesto) siguió a sus palabras sobre la financiación de la física de altas energías.

Creo firmemente que los físicos de altas energías no necesitan justificar la necesidad de realizar investigaciones fundamentales citando aplicaciones (especialmente militares), analogías históricas o vagas promesas de posibles milagros técnicos. Los físicos llevan a cabo estos estudios principalmente en nombre de su deseo indestructible de descubrir cómo funciona nuestro mundo, el deseo de comprender la naturaleza con más detalle. La física de partículas no tiene paralelo entre otras actividades humanas. Durante dos milenios y medio, la humanidad se ha esforzado por encontrar los "bloques de construcción" originales del universo, y ahora estamos cerca de la meta final. Instalaciones gigantes nos ayudarán a penetrar en el corazón mismo de la materia y a arrancar a la naturaleza sus secretos más profundos. La humanidad puede esperar aplicaciones inesperadas de nuevos descubrimientos, tecnologías previamente desconocidas, pero puede resultar que la física de altas energías no dé nada para la práctica. Pero incluso una majestuosa catedral o sala de conciertos tiene poca utilidad práctica. En este sentido, no podemos dejar de recordar las palabras de Faraday, quien una vez comentó: “¿De qué sirve un bebé recién nacido?” Los tipos de actividad humana que están lejos de la práctica, que incluyen la física de partículas elementales, sirven como evidencia de la manifestación del espíritu humano, sin el cual estaríamos condenados en nuestro mundo excesivamente material y pragmático.

A menudo se dice que hay dos tipos de ciencias: las ciencias grandes y las pequeñas. Dividir el átomo es una gran ciencia. Tiene instalaciones experimentales gigantescas, presupuestos colosales y recibe la mayor parte de los premios Nobel.

¿Por qué los físicos necesitaron dividir el átomo? La respuesta simple -comprender cómo funciona el átomo- contiene sólo una parte de la verdad, pero hay una razón más general. No es del todo correcto hablar literalmente de la división del átomo. En realidad, estamos hablando de la colisión de partículas de alta energía. Cuando las partículas subatómicas que se mueven a altas velocidades chocan, nace un nuevo mundo de interacciones y campos. Los fragmentos de materia cargados de enorme anergia, que se dispersan después de las colisiones, ocultan los secretos de la naturaleza, que desde la “creación del mundo” quedaron enterrados en las profundidades del átomo.

Las instalaciones en las que chocan partículas de alta energía (aceleradores de partículas) llaman la atención por su tamaño y coste. Alcanzan varios kilómetros de diámetro, lo que hace que incluso los laboratorios que estudian las colisiones de partículas parezcan pequeños en comparación. En otras áreas de la investigación científica, el equipo está ubicado en un laboratorio; en física de altas energías, los laboratorios están conectados a un acelerador. Recientemente, el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), ubicado cerca de Ginebra, asignó varios cientos de millones de dólares para construir un acelerador en anillo. La circunferencia del túnel construido a tal efecto alcanza los 27 km. El acelerador, llamado LEP (Anillo Grande de Electrones y Positrones), está diseñado para acelerar los electrones y sus antipartículas (positrones) a velocidades que son sólo “un pelo” diferentes de la velocidad de la luz. Para tener una idea de la escala de energía, imagine que en lugar de electrones, una moneda de un centavo se acelera a tales velocidades. ¡Al final del ciclo de aceleración, tendría suficiente energía para producir electricidad por valor de 1.000 millones de dólares! No es sorprendente que este tipo de experimentos se clasifiquen habitualmente como física de “alta energía”. Al moverse unos hacia otros dentro del anillo, los haces de electrones y positrones experimentan colisiones frontales, en las que los electrones y los positrones se aniquilan, liberando energía suficiente para producir docenas de otras partículas.

¿Cuáles son estas partículas? Algunos de ellos son los mismos “bloques de construcción” a partir de los cuales estamos construidos: protones y neutrones que forman los núcleos atómicos y electrones que orbitan alrededor de los núcleos. Otras partículas no suelen encontrarse en la materia que nos rodea: su vida útil es extremadamente corta y, una vez expirada, se desintegran en partículas ordinarias. La cantidad de variedades de partículas tan inestables y de vida corta es asombrosa: ya se conocen varios cientos de ellas. Al igual que las estrellas, las partículas inestables son demasiado numerosas para identificarlas por su nombre. Muchos de ellos están indicados únicamente con letras griegas y algunos simplemente con números.

Es importante tener en cuenta que todas estas numerosas y variadas partículas inestables no son literalmente componentes protones, neutrones o electrones. Al chocar, los electrones y positrones de alta energía no se dispersan en muchos fragmentos subatómicos. Incluso durante las colisiones de protones de alta energía, que obviamente están formados por otros objetos (quarks), estos, por regla general, no se dividen en sus componentes en el sentido habitual. Lo que sucede en tales colisiones se ve mejor como la creación directa de nuevas partículas a partir de la energía de la colisión.

Hace unos veinte años, los físicos estaban completamente desconcertados por la cantidad y variedad de nuevas partículas subatómicas, que parecían no tener fin. era imposible entender Para qué tantas partículas. Quizás las partículas elementales sean como los habitantes de un zoológico, con su filiación familiar implícita, pero sin una taxonomía clara. ¿O tal vez, como han creído algunos optimistas, las partículas elementales contienen la clave del universo? ¿Cuáles son las partículas observadas por los físicos: fragmentos de materia insignificantes y aleatorios o los contornos de un orden vagamente percibido que emerge ante nuestros ojos, indicando la existencia de una estructura rica y compleja del mundo subnuclear? Ahora no hay duda de la existencia de tal estructura. Hay un orden profundo y racional en el micromundo, y comenzamos a comprender el significado de todas estas partículas.

El primer paso hacia la comprensión del micromundo se dio como resultado de la sistematización de todas las partículas conocidas, al igual que en el siglo XVIII. Los biólogos compilaron catálogos detallados de especies de plantas y animales. Las características más importantes de las partículas subatómicas incluyen masa, carga eléctrica y espín.

Debido a que la masa y el peso están relacionados, las partículas con gran masa a menudo se denominan “pesadas”. La relación de Einstein mi =mc^ 2 indica que la masa de una partícula depende de su energía y, por tanto, de su velocidad. Una partícula en movimiento es más pesada que una partícula en reposo. Cuando hablan de la masa de una partícula, lo dicen en serio. masa en reposo, ya que esta masa no depende del estado de movimiento. Una partícula con masa en reposo cero se mueve a la velocidad de la luz. El ejemplo más obvio de una partícula con masa en reposo cero es el fotón. Se cree que el electrón es la partícula más ligera con una masa en reposo distinta de cero. El protón y el neutrón son casi 2.000 veces más pesados, mientras que la partícula más pesada creada en el laboratorio (la partícula Z) tiene aproximadamente 200.000 veces la masa del electrón.

La carga eléctrica de las partículas varía en un rango bastante estrecho, pero, como hemos señalado, siempre es un múltiplo de la unidad fundamental de carga. Algunas partículas, como los fotones y los neutrinos, no tienen carga eléctrica. Si la carga de un protón con carga positiva se toma como +1, entonces la carga del electrón es -1.

Pulgada. 2 introdujimos otra característica de las partículas: el espín. Además siempre toma valores que son múltiplos de alguna unidad fundamental, que por razones históricas se elige que sea 1 /2. Por tanto, un protón, un neutrón y un electrón tienen un espín. 1/2, y el espín del fotón es 1. También se conocen partículas con espín 0, 3/2 y 2. No se han descubierto partículas fundamentales con espín mayor que 2, y los teóricos creen que no existen partículas con tal espín.

El giro de una partícula es una característica importante y, según su valor, todas las partículas se dividen en dos clases. Las partículas con espín 0, 1 y 2 se denominan "bosones", en honor al físico indio Chatyendranath Bose, y las partículas con espín semientero (es decir, con espín 1/2 o 3/2 - “fermiones” en honor a Enrico Fermi. Pertenecer a una de estas dos clases es probablemente la más importante en la lista de características de una partícula.

Otra característica importante de una partícula es su vida útil. Hasta hace poco se creía que los electrones, protones, fotones y neutrinos eran absolutamente estables, es decir. tener una vida infinitamente larga. Un neutrón permanece estable mientras está "encerrado" en el núcleo, pero un neutrón libre se desintegra en unos 15 minutos. Todas las demás partículas conocidas son muy inestables, con tiempos de vida que van desde unos pocos microsegundos hasta 10-23 segundos. pequeño, pero no debemos olvidar que una partícula que vuela a una velocidad cercana a la de la luz (y la mayoría de las partículas nacidas en los aceleradores se mueven precisamente a esa velocidad) logra volar una distancia de 300 m en un microsegundo.

Las partículas inestables sufren desintegración, que es un proceso cuántico y, por lo tanto, siempre hay un elemento de imprevisibilidad en la desintegración. La vida útil de una partícula concreta no se puede predecir de antemano. Basándose en consideraciones estadísticas, sólo se puede predecir la vida media. Normalmente se habla de la vida media de una partícula: el tiempo durante el cual la población de partículas idénticas se reduce a la mitad. El experimento muestra que la disminución en el tamaño de la población se produce exponencialmente (ver Fig. 6) y la vida media es 0,693 del tiempo de vida promedio.

A los físicos no les basta con saber que tal o cual partícula existe: se esfuerzan por comprender cuál es su función. La respuesta a esta pregunta depende de las propiedades de las partículas enumeradas anteriormente, así como de la naturaleza de las fuerzas que actúan sobre la partícula desde el exterior y el interior. En primer lugar, las propiedades de una partícula están determinadas por su capacidad (o incapacidad) para participar en interacciones fuertes. Las partículas que participan en interacciones fuertes forman una clase especial y se llaman andrones. Las partículas que participan en interacciones débiles y no participan en interacciones fuertes se llaman leptones, que significa "pulmones". Echemos un vistazo breve a cada una de estas familias.

leptones

El más conocido de los leptones es el electrón. Como todos los leptones, parece ser un objeto elemental puntual. Hasta donde se sabe, el electrón no tiene estructura interna, es decir. no consta de ninguna otra partícula. Aunque los leptones pueden tener o no carga eléctrica, todos tienen el mismo giro. 1/2, por tanto, se clasifican como fermiones.

Otro leptón muy conocido, pero sin carga, es el neutrino. Como ya se mencionó en el Cap. 2, los neutrinos son tan esquivos como los fantasmas. Dado que los neutrinos no participan ni en las interacciones fuertes ni en las electromagnéticas, ignoran casi por completo la materia, penetrando a través de ella como si no existiera en absoluto. El alto poder de penetración de los neutrinos ha hecho que durante mucho tiempo sea muy difícil confirmar experimentalmente su existencia. Sólo casi tres décadas después de que se predijeran los neutrinos, finalmente fueron descubiertos en el laboratorio. Los físicos tuvieron que esperar a la creación de reactores nucleares, durante los cuales se emite una gran cantidad de neutrinos, y solo entonces pudieron registrar la colisión frontal de una partícula con un núcleo y así demostrar que realmente existe. Hoy en día es posible realizar muchos más experimentos con haces de neutrinos que surgen de la desintegración de partículas en un acelerador y que tienen las características necesarias. La gran mayoría de los neutrinos “ignoran” el objetivo, pero de vez en cuando los neutrinos interactúan con el objetivo, lo que proporciona información útil sobre la estructura de otras partículas y la naturaleza de la fuerza débil. Por supuesto, realizar experimentos con neutrinos, a diferencia de los experimentos con otras partículas subatómicas, no requiere el uso de protección especial. El poder de penetración de los neutrinos es tan grande que son completamente inofensivos y atraviesan el cuerpo humano sin causarle el menor daño.

A pesar de su intangibilidad, los neutrinos ocupan una posición especial entre otras partículas conocidas porque son las partículas más abundantes en todo el Universo, superando en número a los electrones y protones en una proporción de mil millones a uno. El universo es esencialmente un mar de neutrinos, con inclusiones ocasionales en forma de átomos. Incluso es posible que la masa total de los neutrinos exceda la masa total de las estrellas y, por lo tanto, son los neutrinos los que hacen la principal contribución a la gravedad cósmica. Según un grupo de investigadores soviéticos, los neutrinos tienen una masa en reposo diminuta, pero no nula (menos de una diezmilésima parte de la masa de un electrón); Si esto es cierto, entonces los neutrinos gravitacionales dominan el Universo, lo que en el futuro puede provocar su colapso. Así, los neutrinos, a primera vista las partículas más “inofensivas” e incorpóreas, son capaces de provocar el colapso de todo el Universo.

Entre otros leptones, cabe mencionar el muón, descubierto en 1936 en los productos de la interacción de los rayos cósmicos; resultó ser una de las primeras partículas subatómicas inestables conocidas. En todos los aspectos excepto en la estabilidad, el muón se parece a un electrón: tiene la misma carga y espín, participa en las mismas interacciones, pero tiene una masa mayor. En aproximadamente dos millonésimas de segundo, el muón se desintegra en un electrón y dos neutrinos. Los muones están muy extendidos en la naturaleza y representan una parte importante de la radiación cósmica de fondo que detecta un contador Geiger en la superficie de la Tierra.

Durante muchos años, el electrón y el muón siguieron siendo los únicos leptones cargados conocidos. Luego, a finales de la década de 1970, se descubrió un tercer leptón cargado, llamado leptón tau. Con una masa de aproximadamente 3500 masas de electrones, el leptón tau es obviamente el "peso pesado" del trío de leptones cargados, pero en todos los demás aspectos se comporta como un electrón y un muón.

Esta lista de leptones conocidos no está en absoluto agotada. En los años 60 se descubrió que existen varios tipos de neutrinos. Los neutrinos de un tipo nacen junto con un electrón durante la desintegración de un neutrón y los neutrinos de otro tipo nacen durante el nacimiento de un muón. Cada tipo de neutrino existe en pares con su propio leptón cargado; por tanto, hay un “neutrino electrónico” y un “neutrino muónico”. Con toda probabilidad, también debería haber un tercer tipo de neutrino, que acompañaría el nacimiento del leptón tau. En este caso, el número total de variedades de neutrinos es tres y el número total de leptones es seis (Tabla 1). Por supuesto, cada leptón tiene su propia antipartícula; por tanto, el número total de leptones diferentes es doce.

tabla 1

Seis leptones corresponden a modificaciones cargadas y neutras (las antipartículas no están incluidas en la tabla). La masa y la carga se expresan en unidades de masa y carga de electrones, respectivamente. Hay evidencia de que los neutrinos pueden tener poca masa

hadrones

A diferencia del puñado de leptones conocidos, hay literalmente cientos de hadrones. Esto por sí solo sugiere que los hadrones no son partículas elementales, sino que están formados por componentes más pequeños. Todos los hadrones participan en interacciones fuertes, débiles y gravitacionales, pero se encuentran en dos variedades: cargados eléctricamente y neutros. Entre los hadrones, los más famosos y ampliamente distribuidos son el neutrón y el protón. Los hadrones restantes tienen una vida corta y se desintegran en menos de una millonésima de segundo debido a la interacción débil, o mucho más rápido (en un tiempo del orden de 10 a 23 s), debido a la interacción fuerte.

En la década de 1950, los físicos estaban extremadamente desconcertados por el número y la diversidad de los hadrones. Pero poco a poco las partículas se fueron clasificando según tres características importantes: masa, carga y espín. Poco a poco, empezaron a aparecer señales de orden y empezó a surgir una imagen clara. Hay indicios de que hay simetrías escondidas detrás del aparente caos de los datos. Un paso decisivo para desentrañar el misterio de los hadrones se produjo en 1963, cuando Murray Gell-Mann y George Zweig, del Instituto de Tecnología de California, propusieron la teoría de los quarks.

Arroz. 10 Los hadrones se construyen a partir de quarks. Un protón (arriba) está formado por dos quarks up y un quark d. El pión más ligero (abajo) es un mesón, que consta de un quark u y un antiquark d. Otros hadrones son todo tipo de combinaciones de quarks.

La idea principal de esta teoría es muy sencilla. Todos los hadrones se construyen a partir de partículas más pequeñas llamadas quarks. Los quarks pueden conectarse entre sí de dos formas posibles: en tripletes o en pares quark-antiquark. Las partículas relativamente pesadas están formadas por tres quarks: bariones, que significa “partículas pesadas”. Los bariones más conocidos son el neutrón y el protón. Los pares quark-antiquark más ligeros forman partículas llamadas mesones -“partículas intermedias”. La elección de este nombre se explica por el hecho de que los primeros mesones descubiertos ocupaban una posición intermedia en masa entre los electrones y los protones. Para tener en cuenta todos los hadrones entonces conocidos, Gell-Mann y Zweig introdujeron tres tipos diferentes (“sabores”) de quarks, que recibieron nombres bastante extravagantes: Y(de arriba- superior), d(de abajo - inferior) y s (de extraño- extraño). Al permitir la posibilidad de varias combinaciones de sabores, se puede explicar la existencia de una gran cantidad de hadrones. Por ejemplo, un protón consta de dos Y- y un quark d (Fig. 10), y el neutrón está formado por dos quarks d y un quark u.

Para que la teoría propuesta por Gell-Mann y Zweig sea eficaz, es necesario suponer que los quarks llevan una carga eléctrica fraccionada. En otras palabras, tienen una carga cuyo valor es 1/3 o 2/3 de la unidad fundamental: la carga del electrón. Una combinación de dos y tres quarks puede tener una carga total de cero o uno. Todos los quarks tienen espín 1/2. por lo tanto se clasifican como fermiones. Las masas de los quarks no se determinan con tanta precisión como las masas de otras partículas, ya que su energía de enlace en un hadrón es comparable a las masas de los propios quarks. Sin embargo, se sabe que el quark s es más pesado. Y- y quarks d.

Dentro de los hadrones, los quarks pueden estar en estados excitados, muy parecidos a los estados excitados de un átomo, pero con energías mucho más altas. El exceso de energía contenido en un hadrón excitado aumenta tanto su masa que antes de la creación de la teoría de los quarks, los físicos confundían los hadrones excitados con partículas completamente diferentes. Ahora se ha establecido que muchos de los hadrones aparentemente diferentes son en realidad sólo estados excitados del mismo conjunto fundamental de quarks.

Como ya se mencionó en el Cap. 5, los quarks se mantienen unidos mediante una fuerte interacción. Pero también participan en interacciones débiles. La interacción débil puede cambiar el sabor de un quark. Así es exactamente como se desintegra un neutrón. Uno de los quarks d del neutrón se convierte en un quark u y el exceso de carga se lleva el electrón que nace al mismo tiempo. De manera similar, al cambiar el sabor, la interacción débil conduce a la desintegración de otros hadrones.

La existencia de los quarks s es necesaria para la construcción de las llamadas partículas "extrañas": los hadrones pesados, descubiertos a principios de los años 50. El comportamiento inusual de estas partículas, que sugiere su nombre, era que no podían desintegrarse debido a interacciones fuertes, aunque tanto ellas mismas como sus productos de desintegración eran hadrones. Los físicos se han preguntado por qué, si tanto la partícula madre como la hija pertenecen a la familia de los hadrones, la fuerza fuerte no provoca su desintegración. Por alguna razón, estos hadrones “preferían” la interacción débil, mucho menos intensa. ¿Por qué? La teoría de los quarks resolvió naturalmente este misterio. La interacción fuerte no puede cambiar el sabor de los quarks; sólo la interacción débil puede hacerlo. Y sin cambio de sabor, acompañado de la transformación del s-quark en Y- o d-quark, la desintegración es imposible.

En mesa La Figura 2 presenta las diversas combinaciones posibles de quarks de tres sabores y sus nombres (normalmente sólo una letra griega). No se muestran numerosos estados excitados. El hecho de que todos los hadrones conocidos pudieran obtenerse a partir de diversas combinaciones de las tres partículas fundamentales simbolizó el principal triunfo de la teoría de los quarks. Pero a pesar de este éxito, sólo unos años más tarde fue posible obtener pruebas físicas directas de la existencia de los quarks.

Esta evidencia se obtuvo en 1969 en una serie de experimentos históricos realizados en el gran acelerador lineal de Stanford (California, EE. UU.) - SLAC. Los experimentadores de Stanford razonaron de forma sencilla. Si realmente hay quarks en el protón, entonces se pueden observar colisiones con estas partículas dentro del protón. Todo lo que se necesita es un “proyectil” subnuclear que pueda apuntar directamente a las profundidades del protón. De nada sirve utilizar otro hadrón para este fin, ya que tiene las mismas dimensiones que un protón. Un proyectil ideal sería un leptón, como un electrón. Como el electrón no participa en la interacción fuerte, no “quedará atrapado” en el medio formado por los quarks. Al mismo tiempo, un electrón puede sentir la presencia de quarks debido a la presencia de una carga eléctrica.

Tabla 2

Los tres tipos de quarks, u, d y s, corresponden a las cargas +2/3, -1/3 y -1/3; se combinan de tres en tres para formar los ocho bariones que se muestran en la tabla. Los pares quark-antiquark forman mesones. (Se omiten algunas combinaciones, como sss).

En el experimento de Stanford, el acelerador de tres kilómetros actuó esencialmente como un “microscopio” electrónico gigante que hizo posible obtener imágenes del interior de un protón. Un microscopio electrónico convencional puede distinguir detalles de menos de una millonésima de centímetro. Un protón, por el contrario, es varias decenas de millones de veces más pequeño y sólo puede ser "sondeado" por electrones acelerados a una energía de 2,1010 eV. En la época de los experimentos de Stanford, pocos físicos se adherían a la teoría simplificada de los quarks. La mayoría de los científicos esperaban que los electrones fueran desviados por las cargas eléctricas de los protones, pero se suponía que la carga estaba distribuida uniformemente dentro del protón. Si esto fuera realmente así, se produciría principalmente una dispersión débil de electrones, es decir, Al pasar a través de protones, los electrones no sufrirían desviaciones fuertes. El experimento demostró que el patrón de dispersión difiere marcadamente del esperado. Todo sucedió como si unos electrones volaran hacia pequeñas inclusiones sólidas y rebotaran en ellas en los ángulos más increíbles. Ahora sabemos que esas inclusiones sólidas dentro de los protones son quarks.

En 1974, la versión simplificada de la teoría de los quarks, que en ese momento había ganado reconocimiento entre los teóricos, recibió un duro golpe. Con unos pocos días de diferencia, dos grupos de físicos estadounidenses, uno en Stanford dirigido por Barton Richter, el otro en el Laboratorio Nacional de Brookhaven dirigido por Samuel Ting, anunciaron de forma independiente el descubrimiento de un nuevo hadrón, al que llamaron partícula psi. En sí mismo, el descubrimiento de un nuevo hadrón difícilmente sería particularmente notable si no fuera por una circunstancia: el hecho es que en el esquema propuesto por la teoría de los quarks no había lugar para una sola partícula nueva. Todas las combinaciones posibles de quarks up, d y s y sus antiquarks ya se han “agotado”. ¿En qué consiste una partícula psi?

El problema se resolvió recurriendo a una idea que había estado en el aire durante algún tiempo: debería haber un cuarto olor que nadie había observado antes. La nueva fragancia ya tenía su nombre: charm (charm), o s. Se ha sugerido que una partícula psi es un mesón que consta de un quark c y un antiquark c (c), es decir cc. Dado que los antiquarks son portadores de anti-sabor, el encanto de la partícula psi se neutraliza y, por lo tanto, la confirmación experimental de la existencia de un nuevo sabor (encanto) tuvo que esperar hasta que se descubrieron los mesones, en los que los quarks encanto se combinaron con anti-quarkamps. de otros sabores. Ahora se conoce toda una serie de partículas encantadas. Todos son muy pesados, por lo que el quark charm resulta ser más pesado que el quark extraño.

La situación descrita anteriormente se repitió en 1977, cuando apareció en escena el llamado mesón upsilon (UPSILON). Esta vez, sin mucha vacilación, se introdujo un quinto sabor, llamado b-quark (de abajo - abajo, y más a menudo belleza - belleza o encanto). El mesón upsilon es un par quark-antiquark formado por quarks b y, por tanto, tiene una belleza oculta; pero, como en el caso anterior, una combinación diferente de quarks permitió finalmente descubrir la “belleza”.

Las masas relativas de los quarks pueden juzgarse al menos por el hecho de que el mesón más ligero, el pión, está formado por pares Y- y d-quarks con antiquarks. El mesón psi es aproximadamente 27 veces más pesado y el mesón upsilon es al menos 75 veces más pesado que el pión.

La ampliación gradual de la lista de sabores conocidos se produjo en paralelo con el aumento del número de leptones; de modo que la pregunta obvia era si alguna vez habría un final. Los quarks se introdujeron para simplificar la descripción de toda la variedad de hadrones, pero incluso ahora existe la sensación de que la lista de partículas vuelve a crecer demasiado rápido.

Desde la época de Demócrito, la idea fundamental del atomismo ha sido el reconocimiento de que, en una escala suficientemente pequeña, deben existir partículas verdaderamente elementales, cuyas combinaciones forman la materia que nos rodea. El atomismo es atractivo porque las partículas fundamentales indivisibles (por definición) deben existir en un número muy limitado. La diversidad de la naturaleza se debe a la gran cantidad no de sus partes constituyentes, sino de sus combinaciones. Cuando se descubrió que había muchos núcleos atómicos diferentes, desapareció la esperanza de que lo que hoy llamamos átomos correspondiera a la idea de los antiguos griegos sobre las partículas elementales de la materia. Y aunque, según la tradición, seguimos hablando de varios "elementos" químicos, se sabe que los átomos no son elementales en absoluto, sino que están formados por protones, neutrones y electrones. Y dado que el número de quarks resulta ser demasiado grande, resulta tentador suponer que también son sistemas complejos formados por partículas más pequeñas.

Aunque por esta razón existe cierto descontento con el esquema de los quarks, la mayoría de los físicos consideran que los quarks son partículas verdaderamente elementales: puntuales, indivisibles y sin estructura interna. En este sentido se parecen a las peptonas y durante mucho tiempo se ha asumido que debe haber una relación profunda entre estas dos familias distintas pero estructuralmente similares. La base de este punto de vista surge de una comparación de las propiedades de los leptones y los quarks (Tabla 3). Los leptones se pueden agrupar en pares asociando cada leptón cargado con un neutrino correspondiente. Los quarks también se pueden agrupar en pares. Mesa 3 está compuesto de tal manera que la estructura de cada celda repite la que se encuentra directamente frente a ella. Por ejemplo, en la segunda celda el muón se representa como un “electrón pesado”, y los quarks charm y extraños se representan como variantes pesadas. Y- y quarks d. En el siguiente cuadro se puede ver que el leptón tau es un “electrón” aún más pesado, y el quark b es una versión pesada del quark d. Para una analogía completa, necesitamos otro neutrino (tau-leptonio) y un sexto tipo de quarks, que ya se llama verdadero. (verdad, t). En el momento en que se escribió este libro, la evidencia experimental de la existencia de los quarks top aún no era lo suficientemente convincente, y algunos físicos dudaban de que los quarks top existieran en absoluto.

Tabla 3

Los leptones y los quarks se emparejan de forma natural. como se muestra en la tabla. El mundo que nos rodea está formado por las primeras cuatro partículas. Pero los siguientes grupos, aparentemente, repiten el superior y están formados, en la corona de neutrinos, por partículas extremadamente inestables.

¿Puede haber un cuarto, un quinto, etc.? ¿Vapores que contienen partículas aún más pesadas? De ser así, la próxima generación de aceleradores probablemente brindará a los físicos la oportunidad de detectar dichas partículas. Sin embargo, se expresa una consideración interesante, de la que se deduce que no existen otros pares excepto los tres nombrados. Esta consideración se basa en el número de tipos de neutrinos. Pronto sabremos que en el momento del Big Bang, que marcó el surgimiento del Universo, hubo una intensa creación de neutrinos. Una especie de democracia garantiza a cada tipo de partícula la misma proporción de energía que las demás; por lo tanto, cuantos más tipos diferentes de neutrinos haya, más energía habrá en el mar de neutrinos que llena el espacio exterior. Los cálculos muestran que si hubiera más de tres variedades de neutrinos, la gravedad creada por todas ellas tendría un fuerte efecto perturbador en los procesos nucleares que tuvieron lugar en los primeros minutos de la vida del Universo. En consecuencia, de estas consideraciones indirectas se desprende una conclusión muy plausible de que los tres pares que se muestran en la tabla. 3, todos los quarks y leptones que existen en la naturaleza están agotados.

Es interesante observar que toda la materia ordinaria del Universo consta de sólo dos leptones más ligeros (electrón y neutrino electrónico) y dos quarks más ligeros ( Y Y d). Si todos los demás leptones y quarks dejaran de existir repentinamente, entonces probablemente muy poco cambiaría en el mundo que nos rodea.

Quizás los quarks y leptones más pesados ​​desempeñan el papel de una especie de respaldo para los quarks y leptones más ligeros. Todos ellos son inestables y se desintegran rápidamente en partículas ubicadas en la celda superior. Por ejemplo, el leptón tau y el muón se desintegran en electrones, mientras que las partículas extrañas, encantadas y hermosas se desintegran con bastante rapidez en neutrones o protones (en el caso de los bariones) o leptones (en el caso de los mesones). Surge la pregunta: Para qué¿Existen todas estas partículas de segunda y tercera generación? ¿Por qué la naturaleza los necesitaba?

En 1939Albert Einsteinapeló al presidente Roosevelt con una propuesta de hacer todo lo posible para dominar la energía de la desintegración atómica antes que los nazis. En ese momento, había emigrado de la Italia fascista.Enrico FermiYa estaba trabajando en este problema en la Universidad de Columbia.

(En la cámara del acelerador del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), el mayor centro de su tipo en Europa. Paradójicamente, se necesitan estructuras gigantes para estudiar las partículas más pequeñas).

Introducción

En 1854 un alemán Heinrich Geisler. (1814-79) inventaron un tubo de vidrio al vacío con electrodos, llamado tubo de Heusler, y una bomba de mercurio, que permitía obtener un alto vacío. Al conectar una bobina de inducción de alto voltaje a los electrodos del tubo, obtuvo un brillo verde en el vidrio opuesto al electrodo negativo. En 1876, un físico alemán Evgeny Goldstein(1850-1931) sugirieron que este brillo era causado por los rayos emitidos por el cátodo y los llamaron rayos catódicos.

(El físico neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, que dirigió en 1919.)

electrones

científico inglés William Crooks(1832-1919) mejoraron el tubo de Heusler y demostraron la posibilidad de desviar los rayos catódicos mediante un campo magnético. En 1897, otro investigador inglés, Joseph Thomson, sugirió que los rayos eran partículas cargadas negativamente y determinó su masa, que resultó ser unas 2000 veces menor que la masa de un átomo de hidrógeno. Llamó a estas partículas electrones, tomando un nombre sugerido varios años antes por un físico irlandés. George Stoney(1826-1911), quienes teóricamente calcularon la magnitud de su carga. Así se hizo evidente la divisibilidad del átomo. Thomson propuso un modelo en el que los electrones estaban intercalados por todo el átomo, como pasas en un pastelito. Y pronto se descubrieron otras partículas que formaban parte del átomo. En 1895 comenzó a trabajar en el Laboratorio Cavendish. Ernesto Rutherford(1871-1937), quien, junto con Thomson, comenzó a investigar la radiactividad del uranio y descubrió dos tipos de partículas emitidas por los átomos de este elemento. Llamó partículas alfa a las partículas con carga y masa de un electrón, partículas beta, y a otras, cargadas positivamente, con una masa igual a la masa de 4 átomos de hidrógeno. Además, los átomos de uranio eran una fuente de radiación electromagnética de alta frecuencia: los rayos gamma.

(Otto Hahn y Lise Meitner. En 1945, Gan fueinternado por los aliados en Inglaterra y sólo allí se enteró de que le habían concedido el Premio Nobel de Química de 1944 “por el descubrimiento de la fisión de los núcleos pesados”).

Protones

En 1886, Goldstein descubrió otra radiación que se propagaba en dirección opuesta a los rayos catódicos, a la que llamó rayos catódicos. Posteriormente se demostró que están formados por iones atómicos. Rutherford propuso llamar pro al ion hidrógeno positivo.tono (del griegoprotón- el primero), porque consideraba que el núcleo de hidrógeno era parte integral de los núcleos atómicos de todos los demás elementos. Así, a principios del siglo XX. Se estableció la existencia de tres partículas subatómicas: el electrón, el protón y la partícula alfa. EN1907 Rutherford se convirtió en profesor de la Universidad de Manchester. Aquí, tratando de descubrir la estructura del átomo, realizó sus famosos experimentos sobre la dispersión de partículas alfa. Al estudiar el paso de estas partículas a través de una fina lámina metálica, llegó a la conclusión de que en el centro del átomo hay un núcleo pequeño y denso capaz de reflejar partículas alfa. El asistente de Rutherford en ese momento era un joven físico danés.Niels Bohr(1885-1962), En cual1913 g., de acuerdo con la teoría cuántica recientemente creada, propuso un modelo de la estructura del átomo conocido comoModelo de Rutherford-Bohr. En él, los electrones giraban alrededor del núcleo como los planetas alrededor del Sol.

( Enrico Fermi (1901-54) recibió el Premio Nobel en 1938 por su trabajo sobre la irradiación de la materia con neutrones. En 1942, llevó a cabo por primera vez una reacción en cadena autosostenida de desintegración de núcleos atómicos).

Modelos atómicos

En este primer modelo, el núcleo estaba formado por protones cargados positivamente y una serie de electrones que neutralizaban parcialmente su carga; Además, alrededor del núcleo se movían electrones adicionales, cuya carga total era igual a la carga positiva del núcleo.Partículas alfa, como los núcleos de los átomos de helio, debería haber consistido en4 protones y2 electrones.Se acabó10 años antes de que este modelo fuera revisado. EN1930 Sr. alemán Walter Bothe(1891-1957) anunció el descubrimiento de un nuevo tipo de radiación radiactiva que se produce cuando el berilio se irradia con partículas alfa. inglésJames Chadwick(1891-1974) Repitió estos experimentos y llegó a la conclusión de que esta radiación se compone de partículas iguales en masa a los protones, pero sin carga eléctrica. Fueron llamados neutrones. Entonces el alemánWerner Heisenberg(1901-76) propuso un modelo de un átomo cuyo núcleo estaba formado únicamente por protones y neutrones.Un grupo de investigadores con uno de los primeros aceleradores de partículas subatómicas:ciclotrón(1932). Este dispositivo está diseñado para acelerar partículas y luego bombardear objetivos especiales con ellas.

(Un grupo de investigadores con uno de los primeros aceleradores de partículas subatómicas: el ciclotrón (1932). Este dispositivo está diseñado para acelerar partículas y luego bombardear objetivos especiales con ellas).

Dividiendo el átomo

Los físicos de todo el mundo vieron inmediatamente en los neutrones una herramienta ideal para influir en los átomos: estas partículas pesadas y sin carga penetraban fácilmente en los núcleos atómicos. EN1934-36 Italia Enrico Fermi(1901-54) recibió su ayuda37 isótopos radiactivos de varios elementos. Al absorber un neutrón, el núcleo atómico se volvió inestable y emitió energía en forma de rayos gamma. Fermi irradió uranio con neutrones, con la esperanzapreconvertirlo en un nuevo elemento: "uranio". En la misma dirección de trabajo en Berlín, el alemán Otto Hahn.(1879-1 Sy un austriacoLise Meitner(1878 - 1968). EN1938 La Sra. Meitner, huyendo de los nazis, fue a Estocolmo y continuó trabajando junto conFriedrich Strassmann(1902-80). Pronto Hahn y Meitner, continuando el experimento y comparando los resultados por correspondencia, descubrieron la formación de bario radiactivo en uranio irradiado con neutrones. Meitner sugirió que soy un átomo de uranio (número atómico92) carrerase divide en dos núcleos: bario (número atómico de elemento con número43 más tarde nombradotecnecio). Así, se descubrió la posibilidad de dividir el núcleo atómico. También se descubrió que cuando se destruye el núcleo de un átomo de uranio,2-3 neutrones, cada uno de los cuales, a su vez, es capaz de iniciar la desintegración de los átomos de uranio, provocando una reacción en cadena con la liberación de una enorme cantidad de energía...

Seleccione el isótopo apropiado. Algunos elementos o isótopos sufren desintegración radiactiva y diferentes isótopos pueden comportarse de manera diferente. El isótopo más común del uranio tiene un peso atómico de 238 y consta de 92 protones y 146 neutrones, pero sus núcleos suelen absorber neutrones sin dividirse en núcleos de elementos más ligeros. Un isótopo de uranio cuyo núcleo contiene tres neutrones menos, 235 U, se fisiona mucho más fácilmente que 238 U y se llama isótopo fisionable.

• Cuando el uranio se divide (fisiones), se liberan tres neutrones que chocan con otros átomos de uranio, provocando una reacción en cadena.
• Algunos isótopos se dividen con tanta facilidad y rapidez que es imposible mantener una reacción nuclear constante. Este fenómeno se llama decadencia espontánea o espontánea. Por ejemplo, el isótopo de plutonio 240 Pu está sujeto a tal desintegración, a diferencia del 239 Pu, que tiene una tasa de fisión más baja.

Para que la reacción continúe después de que el primer átomo se desintegre, se debe recolectar suficiente isótopo. Para ello, es necesario disponer de una determinada cantidad mínima de isótopo fisionable que sustentará la reacción. Esta cantidad se llama masa crítica. Para alcanzar una masa crítica y aumentar la probabilidad de descomposición, se requiere una cantidad suficiente de material de partida.

Dispara un núcleo atómico de un isótopo a otro núcleo del mismo isótopo. Dado que las partículas subatómicas son raras en forma libre, a menudo es necesario separarlas de los átomos que contienen estas partículas. Una forma de hacerlo es disparar un átomo de un isótopo a otro del mismo átomo.

• Este método se utilizó para crear la bomba atómica de 235 U que se lanzó sobre Hiroshima. Un arma parecida a un cañón con un núcleo de uranio disparó 235 átomos de U contra un objetivo de átomos similares de 235 U. Los átomos volaron lo suficientemente rápido como para que los neutrones liberados penetraran los núcleos de otros átomos de 235 U y los dividieran. La fisión, a su vez, liberó neutrones, que dividieron otros 235 átomos de U.

Bombardear los núcleos de un isótopo fisionable con partículas subatómicas. Una sola partícula subatómica puede chocar contra un átomo de 235 U y dividirlo en dos átomos separados de otros elementos, liberando tres neutrones. Las partículas subatómicas pueden producirse a partir de una fuente controlada (como un cañón de neutrones) o crearse mediante la colisión de núcleos. Comúnmente se utilizan tres tipos de partículas subatómicas.

• Protones. Estas partículas subatómicas tienen masa y carga eléctrica positiva. El número de protones en un átomo determina de qué elemento es un átomo.
• Neutrones. Estas partículas subatómicas tienen la misma masa que un protón, pero son neutras (no tienen carga eléctrica).
• Partículas alfa. Estas partículas son los núcleos libres de electrones de los átomos de helio. Están formados por dos protones y dos neutrones.