Las secciones transversales le dicen a los físicos la probabilidad de que las partículas interactúen de una determinada manera.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago
Por Oscar Miyamoto, para Symmetry Magazine Octubre 24 de 2017
Imagina dos bolas de billar rodando una hacia la otra. La probabilidad de una colisión depende de conceptos fáciles de entender: ¿Qué tan grandes son? ¿Cuán precisamente están destinados?
Cuando comienzas a hablar sobre la probabilidad de que las partículas choquen, las cosas se vuelven más complicadas. Es por eso que los físicos usan el término "sección transversal".
A diferencia de los objetos sólidos, las partículas elementales se comportan como pequeñas ondas de probabilidad.
Y sus interacciones no están limitadas a un bache físico. Las partículas pueden interactuar a distancia, por ejemplo, a través de la fuerza electromagnética o la gravedad. Algunas partículas, como los neutrinos, interactúan muy pocas veces a través de la fuerza débil. Podrías imaginarlos como hologramas de bolas de billar que ocasionalmente revolotean en un estado sólido.
Reacción elástica
En física, una sección transversal describe la probabilidad de que dos partículas interactúen bajo ciertas condiciones. Esas condiciones incluyen, por ejemplo, el número de partículas en el haz, el ángulo en el que golpean el objetivo y de qué está hecho el objetivo.
"Las secciones cruzadas vinculan la teoría con la realidad", dice Gerardo Herrera, investigador del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional en la Ciudad de México y colaborador en el experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones. "Proporcionan una imagen de las propiedades fundamentales de las partículas. Esa es su mayor utilidad ".
Las secciones transversales vienen en muchas variedades. Pueden ayudar a describir lo que sucede cuando una partícula golpea un núcleo. En las reacciones elásticas, las partículas rebotan unas contra otras pero mantienen sus identidades, como dos bolas de billar que rebotan. En reacciones inelásticas, una o más partículas se rompen, como una bola de billar golpeada por una bala. En un estado de resonancia, aparecen partículas virtuales de corta vida.
Reacción inelástica
Estas medidas de uno o más aspectos de la interacción se llaman secciones transversales diferenciales, mientras que los resúmenes de todas estas reacciones juntas se llaman secciones transversales totales.
Los físicos representan secciones transversales en ecuaciones con la letra griega sigma (σ). Pero una vez que se han medido en colisiones reales, sus datos se pueden visualizar en cifras como esta:
Crédito de la imagen: Jorge G. Morf´ın , Juan Nievesb , Jan T. Sobczyka
Esta trama proviene de un documento sobre interacciones entre neutrinos y núcleos atómicos. El eje vertical representa las posibilidades de las diferentes reacciones (medidas en centímetros cuadrados sobre giga-electronvoltios), y el eje horizontal representa la energía de los neutrinos entrantes (medidos en giga-electronvoltios). Un electronvolt es una medida de energía basada en la cantidad de energía que un electrón gana después de ser acelerada por 1 voltio de electricidad.
La imagen de arriba nos dice, por ejemplo, que a una energía de 10 giga-electronvoltios, el resultado más probable sería una dispersión inelástica profunda (línea verde), seguida de un estado de resonancia (línea roja) y, por último, un cuasi- evento elástico (línea azul). La curva negra representa la sección transversal total. Las barras de error (líneas delgadas que van hacia los lados y al revés) indican la precisión estimada de cada medición.
"Lo que ves en esta figura son los intentos de encontrar una forma común de mostrar resultados experimentales complejos. Esta trama muestra cómo dividimos los eventos que encontramos en nuestros detectores ", dice Jorge Morfín, científico sénior de Fermilab y uno de los principales autores del artículo.
Las secciones transversales se utilizan para comunicar resultados entre investigadores con intereses comunes, dice Morfín. La sección transversal anterior sirve, entonces, como una forma de comparar los datos obtenidos de los laboratorios que utilizan diferentes técnicas de medición y objetivos nucleares, como NOMAD (CERN), SciBooNE (Fermilab) y T2K (Japón).
Los científicos que estudian astrofísica, cromodinámica cuántica, química física e incluso nanociencia utilizan este tipo de tramas para comprender cómo decaen las partículas, absorben energía e interactúan entre sí.
Estado de resonancia
"Hacen tantas conexiones con diferentes campos científicos y la investigación actual que está sucediendo", dice Tom Abel, un cosmólogo computacional en SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford.
En la búsqueda de la materia oscura, por ejemplo, los investigadores investigan si las partículas interactúan de la manera que los teóricos predicen.
"Estamos buscando interacciones entre partículas de materia oscura y núcleos pesados, o partículas de materia oscura que interactúan entre sí", dijo Abel. "Todo esto se expresa en secciones transversales".
Si ven interacciones diferentes de lo que esperan, podría ser un signo de la influencia de algo invisible, como la materia oscura.
En un mundo donde reinan la probabilidad y la incertidumbre, Herrera señala que los conceptos en mecánica cuántica pueden ser difíciles de entender. "Pero las secciones transversales son un elemento muy tangible", dice, "y una de las mediciones más importantes en física de alta energía".
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