¿A quién le importan las partículas? ¿Por qué los físicos especializados en ellos están tan interesados en ellos?
De hecho, no nos interesan las partículas por sí mismas.
Aquí hay una analogía para usted: imagine que estaba interesado en las ciudades del Imperio Romano y cómo funcionaban. Debido a esto, puedes comenzar a estudiar arquitectura romana. Quizás te interese cómo construyeron sus edificios y acueductos. Luego, probablemente, cambiará a la confiabilidad de sus arcos y cimientos, y de ellos a las propiedades de los ladrillos y el mortero. Pero no le interesan los ladrillos y el mortero, esto es solo un medio para un fin. Desea considerarlos como parte de los problemas más generales del diseño y construcción de edificios romanos, su belleza y confiabilidad, lo que les permitió sobrevivir siglos.
La naturaleza es el arquitecto más fructífero y antiguo. Vivimos rodeados de belleza y misterios: robles y volcanes, puestas de sol y tormentas, una hermosa luna e innumerables granos de arena en la playa. Hace un par de siglos, los científicos concluyeron que la diversidad de esta arquitectura se puede entender mejor si asumimos que la materia consiste en varios átomos: "elementos". Entonces comenzaron a interesarse en los átomos, los bloques de construcción "elementales" de la naturaleza, como se los pensó entonces.
Pero, como resultó, esto fue solo el comienzo, ya que resultó que hay docenas de diferentes tipos de átomos, que difieren seriamente en las transformaciones químicas y en la capacidad de emitir luz. En un intento por comprender la diversidad y el comportamiento de los átomos, los científicos se dieron cuenta de que también eran formas de arquitectura construidas a partir de partículas aún más pequeñas: electrones que rodean el núcleo atómico, que se mantienen intactos al cementar sus fuerzas eléctricas. Y en los núcleos mismos, también hay arquitectura, con protones y neutrones intactos al consolidar su fuerte interacción. En el camino, se descubrió otra fuerza, una interacción débil, a menudo más destructiva que una fuerza creativa.
El descubrimiento de nuevos niveles de arquitectura no solo permitió explicar los procesos químicos elementales, así como la emisión y absorción de luz, sino que también dio acceso a desentrañar otros secretos: los principios del funcionamiento de las estrellas, la radiactividad, así como el acceso al enorme peligro oculto en la energía del núcleo. El enfoque de ladrillos y cemento se ha convertido en la clave para descubrir muchos secretos a lo largo del siglo XX.
Esto, por supuesto, es un bosquejo casi histórico, y no es un recuento exacto de la historia. La historia real es más rica, más compleja y está más allá de mis capacidades.
En la década de 1950, se sabía que los protones y los neutrones de los núcleos atómicos tienen muchos primos: otros
hadrones con nombres como
peonías ,
kaones ,
bariones delta ,
mesones rojos y otros. Esta complejidad era un signo de otra arquitectura. A principios de la década de 1970, apareció una nueva idea sobre estas partículas como objetos que consisten en
quarks , antiquarks y
gluones , unidos por una fuerte interacción.
Los expertos en física de partículas son científicos interesados en la arquitectura de la naturaleza a nivel de ladrillos y cemento, confiabilidad y destructibilidad. ¿Cuáles son los componentes básicos que los mantienen unidos o los separan? ¿Cómo organizan y forman la base de una gran variedad de estructuras que observamos en el universo?
Desde principios de la década de 1960, se ha llegado gradualmente a entender que las propiedades del mundo en el que habitamos requieren la presencia de alguna sustancia que llene el Universo, un campo distinto de cero, como por definición llamamos al campo de Higgs, que afecta las propiedades de muchas partículas en la naturaleza. Sin el campo de Higgs, la arquitectura a nuestro alrededor colapsaría. Comprender qué es este campo y cómo funciona es uno de los proyectos centrales de los expertos actuales en física de partículas, y la principal justificación para la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). ¿Qué secretos serán revelados durante el estudio? Nadie lo sabe todavía.
¿Por qué entonces los físicos necesitaban construir un "destructor de átomos" gigante?
¡Oh, cómo odio este término! ¡No chocamos átomos, chocamos partículas subatómicas: protones, que son 100,000 veces más pequeños que los átomos (en radio), o electrones, que son 1,000 veces más pequeños que los protones! Así es como confundir una colisión de planetas con una colisión de dos petroleros o dos balas.
Bien, damas, cálmate ya. Entonces, ¿por qué deberían los físicos colisionar protones u otras partículas subatómicas? ¿Es posible hacer algo menos destructivo?
A menudo se da una analogía de que el uso de colisionadores (o, más precisamente, colisionadores de partículas subatómicas) en física es como romper cronómetros precisos en un intento de estudiar su trabajo en las partes emitidas por ellos. Esta analogía tiene sentido, pero no tiene en cuenta algo importante.
La colisión de partículas subatómicas de energías ultraaltas no es solo un acto de destrucción. Es, en su mayor parte, un acto de creación.
Esta es una propiedad increíble de la naturaleza: si empujas mucha energía en un espacio bastante pequeño, a veces se pueden producir partículas que antes no estaban allí. Es por esto que organizamos colisiones de partículas de alta energía. La tecnología con compresión de energía es la única tecnología conocida que permite obtener partículas nuevas o extremadamente raras que las personas no han visto previamente. Por ejemplo, no tenemos otra forma de obtener partículas de Higgs.
Por lo tanto, no estamos interesados en el choque de los relojes. Ya sabemos mucho sobre ellos, ya entendemos decentemente los protones que colisionan en el LHC. Esperamos descubrir algo que no estaba en el reloj: ya hemos estudiado quarks y gluones, ladrillos y cemento de protones con suficiente detalle. Tenemos que ajustar la analogía. Más bien, empujamos el reloj juntos con la esperanza de que aparezca un teléfono celular como resultado de la energía de colisión.
Eso suena bastante loco. Pero la naturaleza es sorprendente e inusual, y diariamente se crean partículas pesadas raras en el LHC. Para crear partículas de Higgs y, posiblemente, otros fenómenos inesperados, sacrificamos protones en el altar del LHC.