Hadrones y Supercuerdas for Dummies

Hace poco cuando se hicieron las primeras pruebas en el colisionador de iones pesados en el CERN muchas personas hablaron que se iba acabar el mundo, ya que iban a colisionador dos hadrones y podrían crear un agujero negro.
Lo que mas me preocupo leyendo todos los comentarios es que casi nadie tenia idea que es un hadrón
Me imagino la cara que pusieron mucho cuando buscaron en la Wikipedia la palabra “hadrón”.
Voy a tratar de explicarlo de manera mas sencilla… pero eso lleva un poco de tiempo….. Por eso si usted quiere un post Haikou, este no lo es.





A principios del siglo XX se comenzó a descubrir la estructura de la materia, ahora nos parece increíble, pero muchos físicos tenían dudas sobre la existencia de los átomos, a pesar que la teoría atómica había sido propuesta en 1801 por Dalton (el mismo del daltonismo) entre ellos tenemos a Mach (el de los números mach) que tiene el merito de ser la única referencia que utilizo Einstein en sus trabajos, Plank (el fundador de la teoría quántica) y muchos mas. Solo luego de los trabajos de Einstein sobre el movimiento browiano fue que se tuvo pruebas que existían los átomos y todos aceptaron.
Para ese momento se sabía que el átomo estaba formado por un núcleo y electrones que de alguna manera estaban alrededor de este.
Se sabia que los electrones tenían carga negativa y el núcleo una carga positiva. Ese modelo no podía explicar la radiactividad que se había descubierto desde hacia un tiempo.
Y lo mas grave, no podía explicar un núcleo mas complicado que el hidrogeno mas básico.



Todos hemos jugado con imanes, y sabemos que al poner dos imanes con la misma carga estos se repelen. Este fenómeno de repulsión electromagnética es la razón por la cual sentimos que las cosas son sólidas, ya que los electrones de nuestras células repelen a los electrones que existen en otros materiales, y nos da la sensación que son sólidos.
Si sabemos un poco mas de física sabemos que las cargas se repelen inversamente proporcionales al cuadrado de su distancia.
No se sabia mucho sobre el núcleo pero si se sabia que era muy, muy pequeño.
Vamos a suponer que el núcleo de un átomo mide 30cm, como un balón de futbol. El electrón mas cercano estaría a unos 30 km de distancia, y ya podemos imaginar la fuerza de repulsión a tan corta distancia ¡Destruiría al núcleo! Por lo tanto no podría existir el helio y mucho menos el carbono.
Para resolver ese problema se pensó que el núcleo estaba formado por otras partículas que evitaban que se destruyera, y esas partículas tenían que tener una carga eléctrica neutra, y por ello se le llamaron Neutrones. Luego de ello fueron detectados. Pero ya el átomo no era tan simple, tenia neutrones, protones y electrones.
Pero había una gran diferencia entre ellos. El protón y el neutrón eran sumamente pesados en comparación al electrón. De hecho el protón era unas 1800 veces mas pesado que el electrón ¿por cual razón el protón era tan pesado en relación al electrón?
En ese momento nadie tenía la menor idea. Pero sirvió para hacer la primera clasificación de las partículas entre las “pesadas” y fueron llamadas bariones que significa pesadas y los leptones que significan ligeros, el lepton mas común es el electrón.

Aun a finales de los años 30 solo se tenia una cierta idea difusa de cómo se producía la radiactividad.
En el año 1932 Carl Anderson, quien era un reputado tenista, y un andinista y alpinista de primera categoría- las malas lenguas dicen que también era un reconocido mujeriego a nivel internacional- comenzó a realizar experimentos con rayos cósmicos a gran altitud, ya que al parecer tenia como hobby la física de partículas, para matar sus pocas horas de aburrimiento (se gano un premio Nobel, la vida no es justa) descubrió entre otras cosas una especie de partícula parecida al electrón, pero mas pesada (el premio Nobel fue por descubrimiento de la antimateria), Las cosas se complicaban, además resulto que el neutrón era inestable y fuera del núcleo tenia una vida media de unos 916 seg.







Aquí tengo que hacer un paréntesis para explicar que significa esto.
Vamos a suponer que tenemos 1000 neutrones, no todos se desintegraran al mismo momento, algunos lo hacen antes, otros después. Algo similar a como el maíz se convierte en cotufas, no todos los granos se convierten en cotufa al mismo tiempo.
Pero podemos hablar de la vida media, esto es el tiempo en que una fracción de todos ellos se desintegra, esto es para que su número se reduzca a la mitad, esto es 500 y según la grafica ese tiempo será de 636 seg.
Otra manera muy común de medir el tiempo de semi desintegración es en conocer el tiempo que la muestra tardaría en reducirse a 1/2,718=0,367=36,7%
Del tamaño original. El numero 2,718 se designa por la letra e y 1/e se llama la vida media de la muestra. Y según la formula su vida media será de 918 seg. Y se desintegra en un protón, un electrón y una pequeña parte que nadie sabía que era, pero sobraba algo de energía y una parte de algo llamado spin.
Eso dio la primera pista que las cosas se seguían complicando.
Esa pequeña parte que sobraba era lo que luego se llamaría neutrino.

Neutrino: fue encontrado el 13 de Noviembre de 1970, en esta fotografía de la cámara de burbuja de 12 pies del Sincrotrón de Gradiente Cero. El neutrino invisible choca con un protón donde las tres huellas se originan (derecha abajo). El neutrino se convierte en un mesón-mu, la huella larga al centro (extendiéndose arriba a la izquierda). La huella corta es el protón. La tercera huella (extendiéndose abajo a la izquierda )es un mesón pi creado por el choque.
Imagen cortesía del Laboratorio Nacional de Argonne (Argonne National Laboratory).

Cuando se estaba construyendo la bomba atómica se pudo profundizar mas en los misterios del átomo.
Se supo que existía una fuerza nuclear fuerte y otra débil, en ese momento existían cuatro fuerzas fundamentales. La nuclear fuerte, la débil, el electromagnetismo y la más intrigante de todas, la gravedad.
Se le puso la palabra hadrones que significa denso en griego a las partículas que eran afectadas por la fuerza nuclear fuerte.

J. Robert Oppenheimer, Professor. H. D. Smythe, General Nichols, and Glen Seaborg en 1946 observando una fotografía del hongo atómico de Hiroshima. La bomba atómica fué desarrollada por los científicos del Proyecto Manhattan.

Otra manera de clasificar las partículas era como fermiones y bosones.
Esto es las partículas que siguen las estadísticas de Einstein y Bose y las que siguen las estadísticas de Fermín.
La diferencia es obvia. Vamos a suponer que estamos en un concierto de Metallica y a todos nos dan un asiento y nos quedamos sentados ahí. Como no puede estar sentadas en el mismo sitio dos personas decimos que se cumple el principio de exclusión de Pauli.
Pero apenas comienza el concierto, todas las personas saltan de sus asientos y se agolpan cerca de la tarima, sin orden, ahí no se cumple el principio de exclusión de Pauli, ya que uno se monta arriba de otro para ver mejor.
Los fermiones están asociados a la materia, y los bosones a las fuerzas.

Un electrón es un fermión, al igual que un protón.
El foton y gluon son bosones y están asociados a las fuerzas, el foton trasmite la fuerza electromagnética y el gluon es la partícula de la fuerza nuclear fuerte.
Ahora vamos a eliminar otro mito, en el núcleo no están diferencias el protón y el neutrón, forman algo parecido a una gota de agua, por eso tampoco podemos decir que tengan una forma definida, puede ser largo y al rato parecer un cilindro, a eso se le llama nucleón.
El protón y el neutrón no existen dentro del núcleo, existen cuando alguno de ellos sale.
Es complicado, vuelvo a tratar, sus identidades están mezcladas, no tienen forma dentro del núcleo, decir que están separados es tan falso como decir que están unidos.



Existen muchísimos hadrones que son bariones mas pesados que el neutrón.
Cuando digo pesado no es peso en el sentido usual de la palabra, ya que el peso esta dado en unidades de energía, usualmente electro voltios un giga electro voltios . y tampoco tienen un peso definido.
Supongamos que queremos saber cuanto pesamos, y para ello tenemos mil pesas, pero ninguna de ella esta graduada, por lo tanto no dan el peso correcto, si comenzamos a pesarnos en todas ellas y luego hacemos una grafica (2) podemos decir que nuestro peso esta entre los parámetros entre las líneas, digamos que son 40 kg y 80kg pero tiene un pico en 71kg.
Tal vez ese no se nuestro peso real, pero si sabemos que esta 40 y 80 y existen muchas probabilidades que sea 71 kg.
Eso mismo pasa con los pesos de las partículas subatómicas, cuando se dice que tal partícula pesa 512 Megavoltios lo que se esta diciendo es que en las mediciones tiene un pico en 512 Megavoltios, aunque puede ser mas o un poco menos.




Antes de introducirnos en la descripción de esta sección de este capítulo XII, la cual está pensada para desarrollar puntualizaciones precisas sobre la teoría de las supercuerdas, es necesario -a mi entender- asumir la capacidad de distinguir entre especulaciones científica y resultados confirmados por experimentos.

Las supercuerdas no es más que una de las muchas maneras que los científicos usan para desarrollar los conocimientos que la humanidad reclama y necesita para su propia evolución. Sus adherentes activos han concluido, con mucho entusiasmo, que han tomado un camino acertado que conducirá a entender, más allá, la interacción de la materia. Más allá, porque el propósito que los anima es seguir un camino –a lo mejor una «idea vesánica» o «adivinanzas matemáticas», para algunos- que los pueda conducir a encontrar una total comprensión de la materia y, quizás de todo, partiendo desde el punto de vista de unas pocas cuerditas que se mueven al compás de nueve dimensiones más el tiempo, que es la cifra dimensional más frecuentemente usada en las correspondientes ecuaciones.

El que existan o hayan existido las cuerdas, el pensar en ello nace de la siguiente reflexión: históricamente, siempre hemos observado en el interior de un átomo que en esa estructura aparecen subestructuras: adentro de un átomo hay núcleos, y adentro de éstos hay quarks. Por qué no se puede pensar que un quark comporta un prequark, y que fuera de éste se genera otra partícula subquark, y así sucesivamente. Ello viene a ser un procedimiento primario de la investigación científica que aparece como detenida y que con las supercuerdas retomaría la acción, aunque, en alguna medida, por caminos distintos.



En las supercuerdas se intenta una desagregación investigativa de los procedimientos previos que se han seguido en el conocimiento de la materia, incluido sus mejoras. La idea medular de la TSC es que todas las partículas, todos los conductores de fuerza, y la gravedad se armonizan igualitariamente en un sentido bajo los sones de un tilín de vibraciones de cuerditas que aparecen como objetos. Para entender la aparición de las cuerditas basta con recordar el ejemplo que colocamos anteriormente, en la sección "De La Teoría Kaluza-Klein", de la visión que obtenemos desde lo alto en el vuelo de un avión cuando observamos la autopista. Aparecería la materia, cuando es observada desde altísimas distancias, como un objetos vibratorio semejante a pelitos. Así, una quark nos parecería como un pelillo extendido unidimensional. Pero al achicarse más la escala, el quark va apareciendo como si estuviera constituido como una cuerdita que genera interactivamente muchísimos prequarks alrededor de ella. En esto, no cabe la menor duda, que es una forma bastante diferente de hacer ciencia, de elaborar teorías de física.



En la teoría de supercuerdas la gravedad se encuentra matemáticamente inserta dentro de una consistente estructura mecánico cuántica. La TSC desarrolla una novedosa idea para describir las partículas elementales dentro de un formato diferente a como la gente lo ha venido haciendo. Hasta ahora, se ha considerado a las partículas elementales como puntos sin procederse a estimar su extensión, tan solo y simplemente puntos matemáticos. Y, es eso, lo que nos presenta los problemas cuando intentamos introducir la gravedad en la teoría. Con la TSC, al propugnarse la idea de que las partículas no sólo son un punto sino líneas unidimensionales insertas en rizos que adquieren diferentes conformaciones, el problema matemáticamente se soslaya, cuando se considera a los bucles o rizos como partículas elementales.



Si aceptamos con una buena disposición científica a los avances teóricos, entonces, no cabe duda que en la TSC se presenta implícita la deseada unificación. En ninguno de sus seis modelos mejor aceptados no se plantea la existencia de unos precisos tipos de objetos, y que los demás se generarían alrededor o fuera de estos. Lo que se propugna es que un objeto unidimensional, parecido a una cuerda, puede adquirir diferentes conformaciones y estructuras geométricas. Es un fenómeno semejante al que ocurre cuando se aplica un punteo en las cuerdas de una guitarra. Se dan variados sonidos con la vibración de las cuerdas. Los tonos diferentes que produce la vibración de una cuerda son la analogía de distintos objetos.



Según los físicos supercuerdistas, la TSC viene a ser la simplificación natural o el mejoramiento de nuestra teoría clásica de partículas. En la actualidad, la capacidad de observación de partículas está dada sólo para aquellas que se dan a bajas energías, ya que para las partículas masivas se requieren aceleradores de una magnitud que hoy no se cuenta y tampoco son visualizables en un futuro relativamente cercano. Ello es lo que hacen atractivas las cuerdas. En una relativa bajas energías, con las vibraciones de una sola cuerda, no sólo se dan partículas elementales como quarks, leptones, fotones, gluones, sino que habría que agregarle un número infinito. La teoría de supercuerdas sería la remplazante natural de la actual estructura teórica focalizada al conocimiento de la materia.

En el marco de la interacción particulada familiarizadamente podemos señalar que un electrón se moviliza a lo largo y en algún lugar otro electrón ingresa al sitio, cuando se logran juntar uno de ellos genera un fotón, y retrocede, y se mueve en otra dirección. El compañero absorbe el fotón, se excita, y se vuelve a mover en otra dirección. El resultado de este proceso es que los electrones entran como una cosa y salen como otra.





Ese proceso, que corresponde a la interacción electromagnética, puede ser explicado por la existencia de partículas livianas como los fotones que observamos en trazos de distancias largas o en trazos más cortos pero no cercanos a la longitud de Planck, cuando visualizamos la interacción en nuestros aceleradores de alta energía.





Ahora bien, si tuviéramos la capacidad de hacer observaciones dentro de las mediciones de la longitud de Planck (10-33 cm), la interacción que hemos expuesto la observaríamos como si viéramos a un electrón con la forma de una cuerda que se moviliza a lo largo de una especie de tubo o caño. En cualquier momento, la cuerda entubada se mueve fuera del tubo, y entonces genera una cuerda fotón, y se excita y, otro electrón, absorbe la cuerda fotón. Así, se podría visualizar a una cuerda electrón moviéndose para acá y otra para allá, intercambiándose una cuerda fotón.



Según la relatividad general la masa curva a la luz. Una de las conclusiones consecuentes a que se llega en la TSC, partiendo de la afirmación comprobada relativista, es que en un sentido fundamental las cuerdas cohabitan dentro de un mayor número de dimensiones a las tres espaciales observadas. El número más preciso que se ha dado es nueve. Ya Einstein, después de haber propuesto en la teoría de la relatividad general que específicamente es la gravedad la dinámica del espacio y el tiempo, se percató que el número de dimensiones podría ser mayor a las tres que normalmente distinguimos. Podrían existir dimensiones extras en objetos muy pequeños y comprimidos.

Imaginémonos seis balones dimensionados suspendidos en distintos puntos del espacio. Ellos siempre es posible para cualquier teoría que en su estructura contemple la gravedad. La teoría de supercuerdas lleva a esa posibilidad: imaginándose que las cuerdas cohabitan dentro de un espaciotiempo de diez dimensiones. Claro que ello, puede que no sea así, ya que sólo, hasta ahora, hemos podido observar tan sólo tres dimensiones, pero no obstante es una posibilidad.

LAS DIMENSIONES EXTRAS OCULTAS



Imaginemos un mundo unidimensional que podemos describir con una sola dimensión, una sola coordenada. Un punto se movería o hacia la izquierda, o hacia la derecha. Con una sola dimensión las posibilidades son de moverse hacia a..., a lo largo de....



Pero alguien descubre que existía otra dimensión que se encontraba oculta. Entonces hablaríamos de un mundo semejante a un tubo o caño. Tiene una dimensión X, pero también podrían encontrarse otras. Si el tubo es muy pequeño, o si no podemos ver a distancias cortísimas, entonces siempre el tubo nos parecerá unidimensional.



ero en una observación más acuciosa es factible ver que existe una forma circular y que a través del círculo es posible también moverse a su alrededor. Aquí, se encuentra una segunda dimensión, con una diferencia: esta dimensión se cierra. O sea, se vuelve al mismo punto. Ello, en un objeto como un pelo, sino se observa con gran detención, es difícil percatarlo.



La TSC señala que al margen de las tres dimensiones que conocemos, hay otras seis que no podemos ver por que son muy pequeñas. La razón para ello es de que tienen la misma característica pequeña en tamaño de longitud.



Los físicos que trabajan con supercuerdas afirman que de modo singular surgen en esta teoría dimensiones extras al intentar explicar mecanismos básicos que rigen el mundo de cuatro dimensiones (tres espaciales más el tiempo). Pero por si fuera poco complicado, ellos se encuentran en sus cálculos con seis dimensiones más, lo que ha venido ser el meollo más criticado de las supercuerdas.



Bien, pero ¿dónde están los bichos que aparecen y desaparecen en nuestro mundo de tres dimensiones espaciales ? No se ha visto nada así que reclame más dimensiones para ser explicado y no existen dimensiones de este tipo en la actualidad.

Pero los especialistas en supercuerdas afirman que surgen las dimensiones extras como una necesidad al intentar describir la historia del universo en sus primeros instantes, cuando tenía la edad de una billonésima de billonésima de segundo y la gravedad estaba todavía unida (era lo mismo) a las otras fuerzas de la naturaleza. Fuerzas, por cierto, como el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil de la desintegración atómica (y esto ha sido comprobado experimentalmente) que era lo mismo en el cosmos muy joven aunque ahora perezcan muy diferentes.

Con las supercuerdas se espera encontrar una explicación para las partículas elementales, sus propiedades y sus fuerzas de interacción, explicar lo que sucede con el espacio y el tiempo a distancias muy pequeñas. Describir al universo bajo una estructura matemática en la cual se requiere a la gravedad para su consistencia, mientras que todas las teorías físicas previas en las que está implicada la mecánica cuántica no son consistentes al introducir la gravedad, que es una de las fuerzas de la naturaleza y que no se puede dejar de lado si se anhela tener una comprensión acabada.

La idea básica en la cual se sostiene el modelo de las supercuerdas es que en cierto sentido sólo hay una partícula elemental, un tipo de cuerda, como ya hemos intentado describir anteriormente, que puede vibrar y moverse en modos diferentes. Así, todas las partículas observadas (como los quarks o electrones) son diferentes movimientos y configuraciones de una supercuerda. Por ello es que la teoría de supercuerdas exige que hayan dimensiones espaciales adicionales sumadas a las tres convencionales más el tiempo.

Las dimensiones extras de estas cuerdas tienen que estar enrolladas en sí mismas en configuraciones muy pequeñas de manera que no son observables normalmente. La única manera de poder verlas -si que existen- sería en experimentos de muy altísima energía, muy por encima de la que se ha alcanzado con los más potentes aceleradores de partículas que hasta hoy se conocen.

Si el universo tenía muchas más dimensiones que ahora en sus comienzos ¿dónde han ido a para las que ahora no percibimos? La respuesta que dan es que éstas se compactaron espontáneamente que se convirtió en algo infinitamente pequeño. Se convirtieron en algo tan diminuto que no podemos apreciar, algo así como un lápiz que tiene tres dimensiones pero se ve como una línea (como si perdiera una dimensión) al alejarse y hacerse más y más pequeño ante nuestros ojos.

La teoría de supercuerdas sugiere que la gravedad estaba integrada con las otras fuerzas de la naturaleza al principio del universo, cuando, estaban todas las dimensiones desplegadas; luego se escondieron varias de ella, las fuerzas se diferenciaron y el cosmos evolucionó hacia su estado actual: cuatro fuerzas distintas en cuatro dimensiones.

Lo cierto es que hasta principios del año 2001, los fundamentos teóricos que se han logrado estructurar en los distintos modelos de la teoría, distan de ser constantes y claros. Un principio físico fundamental en la teoría de supercuerdas, incluido el modelo M, está todavía ausente. Por ello, así no cabe más que seguirnos preguntando: ¿qué es la teoría de supercuerdas? En cualquier caso, es una teoría tentativa cuyo perfeccionamiento teórico y comprobación experimental es necesario. Esperemos a ver cómo evoluciona la física en esa dirección.



FUENTE 1

FUENTE 2