Neutrinos, leptones y quarks
NEUTRINOS
Los neutrinos (término que en italiano significa ‘pequeños neutrones’, inventado por el científico italiano Enrico Fermi) son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín 1/2. Desde hace unos años se sabe, en contra de lo que se pensaba, que estas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y es muy difícil medirla.
Hoy en día (2015), se cree que la masa de los neutrinos es inferior a unos 5,5 eV/c2, lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno. Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima, por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.
La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas, ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.
En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.
Durante 25 años, la idea de la existencia de esta partícula sólo se estableció de forma teórica.
De hecho, es muy pequeña la posibilidad de que un neutrino interactúe con la materia ya que, según los cálculos de física cuántica, sería necesario un bloque de plomo de una longitud de un año luz (9,46 billones de kilómetros) para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesaran.
En 1956 Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron su existencia experimentalmente. Lo hicieron bombardeando agua pura con un haz de 1018 neutrones por segundo. Observaron la emisión subsiguiente de fotones, quedando así determinada su existencia. A este ensayo, se le denomina experimento del neutrino.
En 1962 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger mostraron que existía más de un tipo de neutrino al detectar por primera vez al neutrino muónico.
En el año 2000 fue anunciado por parte de la Colaboración DONUT en Fermilab el descubrimiento del neutrino tauónico. Su existencia ya había sido predicha, puesto que los resultados del decaimiento del bosón Z medidos por LEP en CERN eran compatibles con la existencia de 3 neutrinos.
En septiembre de 2011, la colaboración OPERA anunció que el análisis de las medidas para la velocidad de los neutrinos en su experimento arrojaba valores superlumínicos. En particular, la velocidad de una cierta clase de neutrino podría ser un 0,002 % mayor que la de la luz, lo que aparentemente contradiría la teoría de la relatividad.
Sin embargo, en los días posteriores al anuncio (que tuvo una espectacular difusión internacional), a través del británico Institute of Physics se hicieron patentes algunos desacuerdos entre miembros del equipo internacional sobre la necesidad de efectuar más pruebas, y de publicar los resultados en revistas con peer review, antes de dar más publicidad a estos primeros resultados.
Más recientemente, el 10 de noviembre de 2011, el director científico del CERN, Sergio Bertolucci, ha declarado a la prensa que «el experimento está siendo repetido por nosotros y por otros científicos en Estados Unidos, Japón e Italia», y que «lo más probable es que se demuestre que hubo un error en el experimento inicial y que el límite sigue siendo la velocidad de la luz». Un nuevo experimento en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) ha arrojado el mismo resultado que el estudio del pasado mes de septiembre. No obstante Fernando Ferroni, presidente del INFN, afirmó: «El resultado positivo del experimento nos hace confiar más en el resultado, aunque habrá que esperar a ver los resultados de otros experimentos análogos en otras partes del mundo antes de decir la última palabra».
Clases
Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas (o sabores):
neutrino electrónico ( \nu_e ), neutrino muónico ( \nu_\mu ) y neutrino tauónico ( \nu_\tau ) más sus respectivas antipartículas.
Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (es decir, cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío. Dada la aleatoriedad del proceso, las proporciones entre cada uno de los sabores tienden a repartirse por igual (1/3 del total para cada tipo de neutrino) a medida que se producen sucesivas oscilaciones. Fue este hecho el que permitió considerar por primera vez la oscilación de los neutrinos, ya que al observar los neutrinos procedentes del Sol (que deberían ser principalmente electrónicos) se encontró que sólo llegaban un tercio de los esperados. Los dos tercios que faltaban habían oscilado a los otros dos sabores y por tanto no fueron detectados. Esto es el llamado «Problema de los neutrinos solares».
La oscilación de los neutrinos implica directamente que éstos han de tener una masa no nula, ya que el paso de un sabor a otro sólo puede darse en partículas masivas.
Implicaciones astrofísicas de su masa
En el modelo estándar se consideraba inicialmente al neutrino como a una partícula sin masa. De hecho, en muchos sentidos se la puede considerar de masa nula pues ésta es, por lo menos diez mil veces menor que la del electrón. Esto implica que los neutrinos viajan a velocidades muy cercanas a la de la luz. Por ello, en términos cosmológicos al neutrino se le considera materia caliente, o materia relativista. En contraposición la materia fría sería la materia no relativista.
En 1998, durante la Conferencia Internacional Neutrino '98, se presentaron los primeros trabajos que mostraban que estas partículas tienen una masa ínfima. Previamente a estos trabajos se había considerado que la hipotética masa de los neutrinos podía tener una contribución importante dentro de la materia oscura del Universo. Sin embargo, resultó que la masa del neutrino era insuficiente, demasiado pequeña para ser siquiera tenida en cuenta en la ingente cantidad de materia oscura que se calcula que hay en el universo. Por otro lado, los modelos de evolución cosmológica no cuadraban con las observaciones si se introducía materia oscura caliente. En ese caso las estructuras se formaban de mayor a menor escala. Mientras que las observaciones parecían indicar que primero se formaron las agrupaciones de gas, luego estrellas, luego proto galaxias, luego cúmulos, cúmulos de cúmulos, etc. Las observaciones, pues, cuadraban con un modelo de materia oscura fría. Por estos dos motivos se desechó la idea de que el neutrino contribuyera de forma destacada a la masa total del universo.
LEPTONES Y QUARKS
Hay tres sabores conocidos de leptones: el electrón, el muon y el leptón tau. Cada sabor está representado por un par de partículas llamadas doblete débil. Uno es una partícula cargada masiva que lleva el mismo nombre que su sabor (como el electrón). La otra es una partícula neutra casi sin masa llamada neutrino (como el neutrino electrónico). Todas, es decir las seis partículas, tienen su correspondiente antipartícula (como el positrón o el antineutrino electrónico). Todos los leptones cargados conocidos tienen una sencilla unidad de carga eléctrica (que depende de si son partículas o antipartículas) y todos los neutrinos y antineutrinos tienen carga eléctrica cero. Los leptones cargados tienen dos estados de espín posibles, mientras que se observa una sola helicidad en los neutrinos (todos los neutrinos son levógiros y todos los antineutrinos son dextrógiros.
Las masas de los leptones también obedecen a una relación simple, conocida como la fórmula de Koide, pero actualmente esta relación no puede ser explicada.
Cuando interactúan partículas generalmente el número de leptones del mismo tipo (electrones y neutrinos electrónicos, muones y neutrinos nuónico, leptones tau y neutrinos tauónicos) se mantiene. Este principio es conocido como la conservación del número leptónico. La conservación del número de leptones de diferente sabor (p.e. número electrónico o número muónico) algunas veces se puede violar (como en la oscilación de neutrinos). Una ley de conservación más fuerte es el número total de leptones de todos los sabores que es violada por una pequeña cantidad en el modelo estándar por las llamadas anomalías quirales.
Los acoples de los leptones a los bosones de gauge son independientes del sabor. Esta propiedad es llamada universalidad leptónica y ha sido probada en medidas de la vida media de tauones y muones, y en decaimientos parciales de bosones Z, particularmente en los experimentos de SLC y LEP.
Sabores
Según el modelo estándar de física de partículas, se denomina sabor al atributo que distingue a cada uno de los seis quarks:
u (up, arriba), d (down, abajo), s (strange, extraño), c (charm, encantado), b (bottom, fondo) y t (top, cima).
En la terminología moderna se dice que los quarks se presentan en seis sabores, cada uno de los cuales puede tener uno de tres colores. De este modo, los quarks serían, en total, 18.
El sabor es un número cuántico de las partículas elementales relacionado con su interacción débil. En el modelo electrodébil, esta simetría es figurada y los procesos de cambio de sabor existen. En cromodinámica cuántica, por otro lado, el sabor es una simetría global.
Si se tienen dos o más partículas, que tengan interacciones idénticas, se pueden intercambiar sin afectar sus propiedades físicas. Cualquier combinación lineal (compleja) de estas dos partículas poseen las mismas propiedades físicas, mientras se mantenga la ortogonalidad o perpendicularidad entre ellas.
El término "sabor" fue acuñado para su uso en el modelo de quarks de los hadrones en 1968. Este nombre para el conjunto de números cuánticos que relacionan isospín, hipercarga y extrañeza se dice que se encontró camino a un almuerzo por Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch cuando pasaban por una tienda de helados de Baskin Robbins y vieron un anuncio de sus 31 sabores.
Todos los leptones traen un número leptónico L = 1. Adicionalmente, los leptones transportan isospines débiles, tz, que es -1/2 para los tres leptones cargados (p.e. e, μ y τ) y 1/2 para los tres neutrinos asociados. Cada doblete de leptón cargado y neutrino con Tz opuesto se dice que constituye una generación de leptones. Adicionalmente, se define un número cuántico llamado hipercarga débil YW que es -1 para la carga de un leptón y +1 para los neutrinos. El isospín débil y la hipercarga débil son figurados (gaugedo) en el modelo estándar.
Los leptones pueden asignar 6 números cuánticos con sabores: número electrón, número muon, número tau y los correspondientes números de los neutrinos. Por lo tanto, tal número cuántico sabor no es de gran uso. Un número cuántico para cada generación es muy útil. Sin embargo, neutrinos de diferentes generaciones pueden mezclarse; esto es, un neutrino de un sabor puede transformarse en otro sabor. La fuerza de tales mezclas se especifica por la matriz llamada matriz MNS.
Quarks
Todos los quarks transportan un número bariónico B = ⅓. Además ellos llevan isospines débiles Tz = ±½. las partículas positivas Tz se las llama quarks tipo arriba y los que mantienen son quarks tipo abajo. Cada doblete de quarks arriba y abajo constituye una generación de quarks.
Los quarks tienen los siguientes números cuánticos sabor —
Isospín que tiene un valor Iz = ½ para los quark up y un valor de Iz = −½ para los quark down.
Extrañeza (S): un número cuántico introducido por Murray Gell-Mann. El antiquark extraño se define para tener extrañeza +1 para el quark encantado. Este es un quark tipo abajo.
Encantado (C) es el número que es +1 para el quark encantado. Este es un quark tipo arriba.
El número cuántico bottom (también llamado bonito), B': que es +1 para un antiquark fondo tipo abajo.
El número cuántico top (también llamado verdadero) T: +1 para los quarks cima tipo arriba.
Estos son números cuánticos útiles desde que ellos son considerados por las fuerzas electromagnéticas y fuertes. Fuera de estos se puede construir números cuánticos derivados
Hipercarga: Y = B+S+C+B'+T
Carga eléctrica: Q = Iz+Y/2.
Un quark de un sabor dado es un estado propio de la parte de una interacción débil de un hamiltoniano: que interectuará de una manera definitiva con los bosones W+, W− y Z. Por otro lado, un fermión de una masa determinada (un estado propio de la cinética y parte de un hamiltoniano de la interacción fuerte) es normalmente una superposición de varios sabores. Como resultado, el sabor que contiene un estado cuántico puede cambiar como éste se propague libremente. La transformación del sabor a una masa basada en quarks es dado por la así llamada matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (matriz CKM). Por definición entonces, la matriz define la fuerza de un cambio de sabor bajo la interacción débil de quarks. La matriz CKM permite la violación CP si hay al menos tres generaciones.
Antipartículas y hadrones
Los números cuánticos de sabor son aditivos. Entonces las antipartículas tienen un sabor igual en magnitud a las partículas pero con signo opuesto. Los hadrones obtienen su número cuántico de sabor de su quark de valencia: esta es la base de la clasificación en el modelo quark. La relación entre la hipercarga, carga eléctrica y otros números cuánticos de sabor se mantiene de los hadrones como también en los quarks.
Colores
En física, la carga de color es una propiedad de los quarks y los gluones que está relacionada con su interacción fuerte en el contexto de la cromodinámica cuántica (QCD). Esto tiene algunas analogías formales con la noción de carga eléctrica de partículas, pero a causa de las complicaciones matemáticas de la QCD, existen muchas diferencias técnicas (por ejemplo la carga de color no es una magnitud escalar).
La carga de color no tiene que ver nada con los colores visibles usuales, sino que simplemente son una forma de llamar y diferenciar los diferentes tipos de una magnitud física asociada a los quarks.
El "color" de quarks y gluones no tiene nada que ver con la percepción visual de color; más bien, es un nombre ingenioso para una propiedad que casi no tiene manifestación a distancias mayores que el tamaño de un núcleo atómico. El término "color" se deriva simplemente del hecho de que la propiedad que describe tiene tres aspectos (análogos a los tres colores primarios), a diferencia del "aspecto" simple de la carga electromagnética.
Poco tiempo después de que la existencia de los quarks fuera propuesta por primera vez en 1964, Oscar W. Greenberg introdujo la noción de la carga de color para explicar cómo los quarks podían coexistir dentro de algunos hadrones en estados de otro modo idénticos y todavía satisfacer el principio de exclusión de Pauli. El concepto resultó ser útil. La cromodinámica cuántica ha estado en desarrollo desde la década de 1970 y constituye un ingrediente importante en el modelo estándar de la física de partículas.
La cromodinámica cuántica describe el campo asociado a la carga de color como un campo de gauge, un sistema de partículas con carga de color viene descrito por una 3-tupla de números, convencionalmente las tres dimensiones del espacio vectorial requerido para describir la carga de color del sistema se han denominado "rojo", "verde" y "azul" y la interacción puede describirse en términos de un campo de Yang-Mills que cambia el "color" de una partícula. Naturalmente estos nombres no tienen nada que ver con el color de las partículas, sino que es una manera conveniente de hablar de las tres dimensiones requeridas para describir el color.
La carga de color de un quark puede tener tres valores diferentes: "rojo", "verde", o "azul"; y un antiquark puede tener tres "anticolores" diferentes, en ocasiones llamados "antirrojo", "antiverde" y "antiazul" (a veces representados por cian, magenta y amarillo). También puede decirse que los gluones son combinaciones de un par color/anticolor: por ejemplo, rojo/antiverde, y eso constituye su carga de color.
PARTICULAS SUBATOMICAS - ELEMENTALES - FUNDAMENTALES
HADRONES --------- BARIONES ----------- PROTONES
/ /
/ --- NEUTRONES
/
------ MESONES ----------- PIONES
/
--- NUCLEONES
QUARKS > >----- UP >----- CHARM >----- TOP
/ / /
--- DOWM --- STRANGE --- BOTTOM
LEPTONES > >------ ELECTRON >------- NEUTRINO ELECTRO
/ /
-- MUON --- NEUTRINO MUONICO
/ /
--- TAU ---- NEUTRINO TAUNICO
BOSONES ---------- FOTON
/
--- GLUON
/
---- Z
/
----- W
/
------- HIGGS
Arriba: Diagrama esquemático típico de computadoras década de 1960. IBM, DEC y NCR.
