Cuando en la década de 1930, el premio Nobel Isidor Rabi se enteró del descubrimiento de una versión más pesada del electrón, él preguntó: "¿Quién ordenó eso?". Tres cuartos de siglo después, podría repetir la pregunta muchas veces. Ahora sabemos que el intruso de Rabi, el muón, es uno de una familia de tres partículas parecidas al electrón que difieren únicamente en su masa.
Pero no termina allí. Lo que se llama el modelo estándar de la materia y sus interacciones se basa en una panoplia de partículas, algunas familiares, otras menos conocidas (ver el diagrama abajo). El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que se prepara para su tercera temporada completa de colisiones de protones en el CERN cerca de Ginebra, Suiza,está buscando la traza definitiva de la única partícula predicha por el modelo estándar aún por descubrir - el bosón de Higgs, dador de la masa.
el modelo estándar es nuestra mejor comprensión de los bloques de construcción de la materia y las fuerzas que la unen(faltando solo incluir a la gravedad).Crédito. newscientist.
Al lado de esto el modelo estándar deja muchas preguntas sin respuesta. ¿Por qué la materia domina la antimateria en el cosmos? ¿Cuál es la verdadera naturaleza de la gravedad? ¿Qué es la "materia oscura" que parece mantener unidas a las galaxias? Los intentos de responder a estas preguntas llevan a los físicos repetidamente al mismo expediente: inventar nuevas partículas.
Stringballs
La teoría de cuerdas es una popular tentativa para reunir a dos escalas diferentes - el pequeño mundo de las partículas cuánticas, donde el modelo estándar tiene el dominio y las distancias cósmicas sobre el que actúa la gravedad. Ella sostiene que las partículas tales como los electrones y los quarks son en realidad cuerdas de energía de apenas 10-35 metros de longitud vibrando de diferentes maneras.
Si tales predicciones están en lo correcto, algunas cosas interesantes podrían aparecer en el LHC. Agujeros negros en miniatura son una notoria posibilidad. Las Stringballs son otra. Estas se forman cuando dos cuerdas chocan y, en lugar de combinarse para formar una cuerda tensa, hacen una bola enredada.
La energía está en abundancia en el LHC, por lo que las stringballs podrían aparecer allí en grandes cantidades. Eso sería un acontecimiento revolucionario, dice Savas Dimopoulos de la Universidad de Stanford en California, uno de los creadores del concepto de stringball ,la teoría de cuerdas va mano a mano con la idea de que hay dimensiones extra del espacio, además de las tres que conocemos. "Encontrar una dimensión adicional sería más excitante que descubrir un nuevo continente", dice Dimopoulos.
Hasta ahora, ninguna ha hecho sentir su presencia(ver aquí). Pero todavía es pronto para el acelerador de partículas. "Los teóricos son buenos en la predicción de fenómenos", dice encogiéndose de hombros Dimopoulos. "Simplemente no puedo decir dónde."
Tetraquarks
A veces, los experimentos muestran el camino a seguir en lo que se refiere al descubrimiento de nuevas partículas. Hace una década, la física de partículas, bullía cuando más de 10 experimentos en todo el mundo reportaron indicios de un "pentaquark" (ver aquí y aquí) - una aglomeración de cuatro quarks y un antiquark que pesaba 1.5 veces lo que pesa un protón.
Los protones y otras partículas compuestas conocidas en el modelo estándar están fabricadas a partir de la unión de tres quarks entre sí, o también por la alianza de un quark y un antiquark(mesones). Sin embargo, no hay ninguna razón fundamental para creer que las partículas de mayor peso con combinaciones de cuatro, cinco, seis o incluso siete quarks y antiquarks no existen, dice el teórico de partículas Frank Close, de la Universidad de Oxford. Hay, sin embargo, muy buenas razones para creer que estaríamos en apuros para detectarlas. Un pentaquark, por ejemplo, sería de esperar que se desintegre en menos de 10-23 segundos - "alrededor del tiempo que tarda la luz en cruzar una partícula", dice Close.
Nuestra visión de los pentaquarks sin duda resultó fugaz.Los presuntos descubrimientos se disolvieron en el 2005, cuando una búsqueda específica para las partículas no resultó en nada (ver aquí).
Sin embargo, aunque los pentaquarks se han desvanecido, ha habido un aumento en los avistamientos de "tetraquarks" (ver aquí). Estas partículas compuestas de dos quarks y dos antiquarks podrían ser producidas cuando un electrón y su antipartícula, el positrón se aniquilan . El problema aquí, dice Close, es una cuestión de interpretación: ¿estamos viendo en realidad verdaderas partículas estrechamente ligadas, o algo más parecido a "moléculas" de dos convencionales parejas de quark-antiquark sueltas y fugazmente, unidas entre sí?
Abundan los cuentos de partículas que se encuentran y luego pierden resonancia como ejemplo tenemos los resultados preliminares del LHC ¿Es realmente el bosón de Higgs, o un signo de la supersimetría - o se disolverán también en el aire?.
Glueballs
La vida interior del protón es un asunto complejo. Los tres quarks de valencia que componen su carga viven en un mar hirviente de quarks de vida más corta que estallan dentro y fuera de la existencia desde el vacío cuántico.
Tirando de las cuerdas están una mezcla de partículas llamadas gluones. Los quarks transportan tanto la carga eléctrica así como una propiedad conocida como la carga de color. Al igual que los fotones se intercambian entre las partículas con carga eléctrica para producir la fuerza electromagnética, los gluones se intercambian entre los quark cargados de color. Este intercambio produce la fuerza nuclear fuerte que los une.
Salvo que hay una diferencia. Los fotones son eléctricamente neutros, pero los gluones en si mismos tienen carga de color, y así sienten su propia fuerza. Esto plantea una pregunta interesante: ¿podemos olvidar a los quarks en conjunto, y hacer materia sólo de gluones pegados unos a otros?
La posibilidad de "Glueballs" ha atormentados a los físicos durante tres décadas. En 1994, el experimento Crystal Barrel del CERN,proporcionó el primero de una serie de avistamientos de supuestos. Sin embargo, dos décadas después, dice el teórico de partículas Frank Close, no estamos más cerca de decir lo que había de verdad en esas afirmaciones. "No hay nada que vaya en contra de la idea de que las glueballs existen", dice Close. "Pero, ¿Como demostrar su existencia es algo que me intriga."
Inflatones
Por qué el espacio es tan liso y el contenido del cosmos tan uniformemente distribuido? De acuerdo con el modelo de Big Bang de los orígenes del universo, el espacio podría ser deformado en todo tipo de formas curiosas.
La explicación estándar actual es que justo después de su nacimiento, el universo pasó por un período de vertiginosa expansión en el que las regiones del espacio se separaban más rápido que la velocidad de la luz, eliminándo todas las arrugas. La fuerza impulsora detrás de esta "inflación" es un campo sumamente energético que dominó brevemente el cosmos antes de disolverse en materia y radiación.
La teoría cuántica dice que cada campo tiene una partícula asociada - en este caso el inflaton. Su existencia podría tener algunas implicaciones interesantes. Fluctuaciones cuánticas en el campo inflaton hicieron que fuera muy difícil de apagar completamente, por lo que partes del cosmos original aún se estarían inflando, para hacer un "multiverso" de independientes universos en desarrollo.
La evidencia directa para el inflaton no vendrá en el corto plazo, sin embargo. Como mínimo, se requeriría un acelerador capaz de producir un billón de veces la densidad de energía del LHC, dice Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton. "Pero entonces usted tiene que averiguar que acelerar de tal manera que, cuando colisione , produzca inflatones".
Pomerones
Incluso si no tenemos éxito en el aislamiento de un glueball, hay un lugar dónde los físicos están convencidos de que sucederá- en el LHC, cuando paquetes de energía son intercambiados cuando los protones sufren sólo una colisión de refilón en el acelerador.
Estos 'virtuales' glueballs vienen en todas las formas y tamaños dependiendo de la naturaleza de la colisión, creando un dolor de cabeza matemático para los teóricos. Pero hay un remedio pronto, dice el teórico Joe Polchinski en la Universidad de California en Santa Bárbara: simplificando a todos ellos en una partícula "eficaz" conocida como Pomeron.
Los Pomerones tienen una larga historia en los modelos de las interacciones de protones, que datan de antes que las teorías que involucran quarks, gluones y la fuerza fuerte. Ellos fueron incluso una de las inspiraciones para la teoría de cuerdas, que originalmente pretendía explicar a los protones antes de que fuera radicalmente replanteada. "La teoría de cuerdas se suponía que era una teoría de las interacciones fuertes", dice Polchinski. "En cambio, resultó ser una teoría de la gravedad."
Ahora las cosas se están moviendo de regreso hacia el otro lado. La teoría de cuerdas con una quinta dimensión adicional se vuelve a buscar * muy parecida a la fuerza fuerte en nuestras convencionales cuatro dimensiones- Por lo que ahora se puede utilizar para comprender a los pomerones ( ver aquí y aquí) en la observación de las colisiones en el LHC.
Eso podría ayudar a enganchar al pez grande: las colisiones de refilón producen mucho menos residuos que una colisión normal (de frente) en el LHC. Los detectores están en desarrollo(ver aquí) los cuales pueden detectar protones que han intercambiado pomerones, y que podrían proporcionar una visión muy clara del tan cacareado bosón de Higgs, dice el teórico Jeff Forshaw de la Universidad de Manchester en el Reino Unido.
Leptoquarks
En 1994, un equipo de físicos estaba colisionando electrones de frente contra protones en el laboratorio DESY, en Hamburgo, Alemania, cuando vieron un electrón al parecer, convirtiéndose en su equivalente más pesado, un muón. Dicha transformación es algo inaudito en el modelo estándar. ¿Y qué pasó?
Una posibilidad es que las colisiones crearon un cruce pesado conocido como un leptoquark. En el modelo estándar, los electrones y los protones son tipos muy diferentes de partículas, separadas por las fuerzas que sienten. Los protones y similares son compuestos fabricados cuando los quarks se combinan bajo la influencia de la fuerza fuerte. Las partículas como los electrones y los muones son partículas elementales, conocidas colectivamente como leptones, que no sienten la fuerza fuerte en lo absoluto.
Las Teorías de la gran unificación tienen como objetivo cortar a través de esas fronteras tras envolver tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza en una sola. En algunas teorías, cuando un electrón choca contra un protón, como en el acelerador HERA del DESY,los leptoquarks se pueden formar y decaer en un muón y un quark. "El HERA parecía un buen lugar para hacer un leptoquark", dice John Ellis, físico teórico en el Kings College de Londres.
En el evento, no hubo más avistamientos, y se desvaneció el entusiasmo. Sin embargo, el atractivo de las grandes teorías unificadas permanece- y la búsqueda de leptoquarks continúa en el LHC hoy.
Winos.
Los físicos de partículas son generalmente un grupo sobrio. Lo mismo no puede decirse de sus partículas.
Los Winos emergen en la supersimetría, la gran construcción teórica que se favorece para subsumir al modelo estándar. La supersimetría coloca parches a algunas de las debilidades estructurales del modelo estándar tras sugerir que cada partícula conocida tiene una, aún no descubierta, compañera generalmente, más pesada.
Los fermiones, por ejemplo, son una clase de particulas del modelo estándar de partículas que abarcan los bloques constitutivos de la materia - los electrones y quarks - y sus fantasmales familiares los neutrinos (ver imágen). En la supersimetría, todos ellos tienen primos "sfermiónicos": selectrones y sneutrinos y los squarks. El otro grupo principal del modelo estándar de partículas, los bosones transmisores de fuerza, tienen compañeros "-ino": fotinos para los fotones, gluino para los gluones, y así sucesivamente. De ahí los Winos:ellos son socios de los bosones W, las partículas que transmiten la fuerza nuclear débil.
De acuerdo con la supersimetría, todos los sfermiones son bosones y todos los "bosinos" son fermiones. Si todo esto suena un poco confuso, no se preocupe: el LHC aún no ha descubierto los previstos rastros de partículas supersimétricas Para muchos físicos de partículas y cosmólogos una falta de Winos y similares sería un serio dolor de cabeza, ya que las partículas supersimétricas ofrecen una receta preparada para la materia oscura la cual une a las galaxias entre sí.
Anyones
Olvídate de las reglas: con los anyones, todo vale. Estos habitantes de los mundos en dos dimensiones no obedecen la normal pulcra división, de partículas en fermiones y bosones, sino permanecen en algún punto entre los dos - un estatus ambiguo que llevó al ganador del premio Nobel el teórico de partículas Frank Wilczek, del Instituto de Tecnología de Massachusetts a darles su nombre.
Partículas convencionales tales como electrones y fotones puede ser consideradas como aberraciones en la energía del espacio libre, como "excitaciones" parecidas a puntos del vacío cuántico. Del mismo modo,los anyones surgen como excitaciones energéticas, cada uno pareciendo llevar sólo una fracción de la carga de un electrón, en capas bidimensionales de algunos metales cuando son expuestos a un fuerte campo magnético.
En tal situación, los elementos móviles son en realidad los fotones de los campos magnéticos y los electrones libres del metal. ¿Por qué inventar una nueva partícula? Por la misma razón que inventamos cosas como los protones, dice Wilczek: ellos trabajan. Los protones están hechos de quarks, pero nadie ha visto nunca un quark por su propia cuenta, por lo que a menudo tienen sentido, por ejemplo, cuando describen la forma en que los núcleos atómicos trabajan con los protones. "En principio se podría prescindir de la identificación de las excitaciones como entidades separadas", dice Wilczek. "Sin embargo, sería torpe y perversa."
La llegada de los materiales en 2D, como el grafeno, las capas individuales de átomos de carbono con la cual ganaron Andre Geim y Konstantin Novoselov el premio Nobel de Física en 2010 – significa que los anyones pronto podrían ser de alguien. Sus características únicas hacen que sean favoritos calientes para alimentar una futura generación de súper rápidos computadores cuánticos.
Galileones.
El descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando vino a partir de observaciones de supernovas lejanas, en la década de 1990, y fué considerado digno del último premio Nobel de física.
Tiene a los teóricos rascándose la cabeza en cuanto a que la causa. El principal candidato es la energía oscura que emana desde el vacío cuántico, y de alguna manera se las arregla para superar a la fuerza estabilizadora de la gravedad. Otras sugerencias son que el efecto es una ilusión nacida de donde estamos situados en el cosmos - o simplemente que la gravedad en si misma se debilita a grandes escalas cósmicas.
Esta última explicación tiene un gran obstáculo a superar. Nuestra teoría actual de la gravedad, la teoría general de la relatividad de Einstein,dice que la fuerza trabaja de la misma manera en todas partes. Sus predicciones se han confirmado en la escala hasta el sistema solar, que es la medida de lo que hemos recorrido para probarlo.
Los Galileones proporcionan una solución clara. Son las partículas cuánticas asociadas a un campo que es hipótetizado de debilitar la gravedad.Al igual que la relacionada partículas"camaleón"su influencia es apantallada por la presencia de la materia. En una región de densidad relativamente alta, como nuestro sistema solar, su débil efecto es imperceptible, actuando solo sobre las vastas zonas, más vacías del cosmos - lo que explica las observaciones de las supernovas.
Es una buena idea, pero ¿es cierta? La respuesta depende de la búsqueda de efectos comprobables que podríamos usar para probar la existencia de las partículas, dice el teórico Mark Trodden de la Universidad de Pensilvania en Filadelfia. "Estamos haciendo un gran esfuerzo para elaborar lo que podría ser."
partículas de Majorana
Cuando el físico teórico italiano Ettore Majorana desapareció en ruta de Palermo a Nápoles en 1938, dejó atrás muchos enigmas.Entre ellos se encontraba bajo qué circunstancias una partícula puede ser su propia antipartícula.
Las partículas y las antipartículas son idénticas excepto por sus cargas eléctricas opuestas. A diferencia de las partículas compañeras de la supersimetría la antimateria es real - a pesar de que sólo surgió de los reinos de la conjetura en 1932, cuando una carga positiva anti-electrón o positrón, se observó en los rayos cósmicos.
Majorana sugirió que una partícula sin carga que pertenece al mismo grupo que el electrón, los fermiones, podría tener una antipartícula con idéntica carga, cero(ver aquí). Eso parece absurdo: seguramente sería la misma partícula dos veces?Pero las partículas de Majorana son un accesorio en un mundo supersimétrico. Allí, el fotón sin carga tiene una superpareja fermiónica, el fotino, que es su propia antipartícula. Lo mismo ocurre con el Higgsino, la superpareja del bosón de Higgs.
Algo que responde a la descripción Majorana también apareció en un laboratorio hace un mes(ver aquí) confirmando una largamente esperada predicción teórica Es completamente, posible asi mismo que pasando a través de sus cabezas cada segundo: los neutrinos y antineutrinos parecieran interactuar de forma diferente, pero podrían ser la misma partícula sin carga en diferentes estados de movimiento.
La prueba experimental podría ser detectando un proceso nuclear conocido como doble desintegración beta sin neutrinos. La desintegración beta convencional viene con la emisión de un antineutrino o neutrino. En raros casos en que un núcleo puede sufrir dos desintegraciones de este tipo, dos de esas partículas deberían ser emitidas. Si el neutrino fuera su propia antipartícula, las dos se aniquilarían, y ninguna emisión de neutrinos se observaría. Estos procesos a su vez pueden arrojar luz sobre uno de los mayores enigmas de todos: por qué es que la materia, en lugar de la antimateria, llegó a dominar el cosmos.
Wimpzilla
El físico Rocky Kolb estaba haciendo sus compras de comestibles en Warrenville, Illinois, un día, y se preguntaba como deberían llamar a la partícula de materia oscura que él y sus colegas habían inventado. Un póster de una película en un autobús que pasaba dió la respuesta. Era 1998 y Godzilla acababa de ser emitida. El wimpzilla nació.
Nadie sabe lo que la materia oscura es: sólo sabemos que el 80 por ciento de la materia del universo es invisible a nuestros telescopios. Las particulas masivas débilmente interactuantes, o WIMPs, son una idea popular. Entre 10 y 100 veces más pesadas que los protones, se habrían producido en la sopa primordial caliente del universo y acorralaron por gravedad a las semillas de las galaxias actuales.
Pero esa no es la única posibilidad. En el primer segundo del universo, durante el período de la inflación,la expansión del espacio en sí mismo arrancó partículas a partir del vacío.Kolb y sus colegas calcularon que entre ellas podrían haber estado las partículas oscuras pesando mil millones de veces más que un WIMP (ver aquí).
Sus monstruosas masas significan que las wimpzillas serían muy raras. No se podrían hacer en los aceleradores de partículas y es improbable que deambulen en alguno de los miles de detectores subterráneos en busca de WIMPs. "Ellas son posiblemente las más difíciles elusivas partículas de materia oscura, propuestas", reconoce Kolb.
Ellas todavía podrían dejar características sutiles en la radiación cósmica de fondo, el brillo del Big Bang que baña el cielo. Si encontramos algún rastro, por ejemplo, en los mapas detallados del fondo cósmico esperados del satélite de la Agencia Espacial Europea Planck, entonces , después de 10.000 años de pensar en ello, vamos a saber de que el universo está hecho , dice Kolb. Tales son los grandes premios que pueden venir de la invención de nuevas partículas.
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg21328561.800-11-particles-for-11-physics-puzzles.html
