Procesos en los que se presentan algunas partículas

Representación de procesos con partículas: diagramas de Feynman

Los procesos con partículas implican representar las partículas de materia involucradas y las partículas mediadoras, que son partículas virtuales intercambiadas entre ellas. Los procesos se suelen representar con diagramas de Feynman; en una introducción a física de partículas al menos se citan y dan nociones básicas.
Una línea indica propagación de partícula; la flecha indica sentido si existe antipartícula.
Líneas rectas son fermiones, las “onduladas” son fotones o bosones débiles, y las “tipo muelle” gluones. Cada punto de cruce (vértice) entre líneas es una interacción, que tendrá cierta constante de acoplamiento. Hay muchos tipos de intercambios de partículas virtuales posibles, cada uno con un orden de contribución; si solamente hay dos vértices se dice que son de primer orden y son las más relevantes.
A veces se indican ejes tiempo/espacio en vertical/horizontal, pero más que representar “líneas de universo” en espaciotiempo muestran interacciones en vértices en los que hay conservación. El mismo diagrama es válido con distinta asignación tiempo y espacio pero teniendo distinta interpretación. Una partícula que se mueve hacia el sentido del tiempo es una partícula de materia, si se mueve en sentido contrario es antimateria “la antimateria es equivalente a materia viajando hacia el pasado”

Ejemplo representación proceso: desintegración beta -. Se puede ver a varios niveles, con otras representaciones como “reacción” nuclear.

1. A nivel nuclear: (A,Z) → (A, Z+1) + e^- + ν_e
2. A nivel partículas no fundamentales: n → p⁺ + e^- + ν_e
3. A nivel quark: d^-1/3 → u^+2/3 + e^- + ν_e (neutrón udd → protón uud)
4. Proceso intermedio: d^-1/3 → u^+2/3 +W^-, luego W^- → e^- + ν_e

El diagrama de Feynman de este caso se incluye a la derecha, donde el tiempo va de abajo hacia arriba.
Puede haber diagramas “alternativos”; la mecánica cuántica es estadística y puede haber varios “canales de desintegración” para la misma situación de partida (se puede hacer una analogía química: A→ B+C ó A → D+E) ; por ejemplo W^- se puede desintegrar en e^- + ν_e y también μ^- y+ ν^μ. Se incluyen dos diagramas de producción y desintegración del bosón de Higgs en dos canales: 2 fotones, o 4 leptones. los canales “más limpios” usados en su detección en el CERN en 2012.

Visualización de los procesos: detectores de partículas

Las partículas no se visualizan directamente, pero son reales porque dejan marcas en detectores. Hay distintos tipos y ejemplos de detectores e instalaciones con detectores, se mencionan algunos.

Contador Geiger: detecta radiación ionizante (típico radiactividad). Tiene un tubo con gas y con un hilo en su centro con alto voltaje respecto al tubo. El gas ionizado va al hilo y se produce corriente. No distingue partículas.
Cámara de niebla (o de Wilson, Nobel 1927): contiene un gas enfriado y sobresaturado, cuando pasa una partícula cargada ioniza el vapor y se condensan y deja un rastro formado por gotas. Típicamente usado con rayos cósmicos.
Cámara de burbujas: contiene un fluido transparente más frío que su temperatura de ebullición, cuando pasa una partícula cargada deja energía para que el líquido pase a gas y deja rastro de burbujas, que se fotografía.
Detectores semiconductores: las partículas cargadas y los fotones excitan electrones y generan corrientes eléctricas.
Calorímetros: las partículas generan una cascada de partículas (electromagnéticas o hadrónicas) depositando en el detector toda su energía que es medida.
Centelleadores: las partículas generas fotones que son amplificados con fotomultiplicadores.
Detectores Cherenkov: las partículas viajan más rápido que la luz en ese medio y emiten radiación que es detectada con fotomultiplicadores. Los detectores de partículas están asociados a Física y colisionadores donde se producen partículas, pero también se usan en Física médica, como detectar fotones en PET, y rayos X en TAC.

Algunas instalaciones con detectores

1. CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire): colisionador LHC (Large Hadron Collider) 13 TeV, 27 km circunferencia y 4 experimentos /detectores principales: CMS (Compact Muon Solenoid), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), LHCb (LHC beauty) y ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Anteriores LEP (Large Electron-Positron Collider) y SPS (Super Proton Syncrotron) con otros detectores.
2. Fermilab: Tevatron (hasta 2011), circunferencia 6,3 km, detectores CDF y DØ. En proceso DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment).
3. SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). El mayor lineal: 3,2 km. Detector PEPII (hasta 2008).
4. ILC (International Linear Collider): propuesto, ~30-50 km, 1 TeV para colisionar e^- y e⁺.
5. CLIC (Compact Linear Collider): propuesto, 3 TeV para colisionar electrones y positrones.
6. Super-Kamiokande (Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment): detector neutrinos, cilindro con 50000 t agua pura, se detecta radiación Cherenkov.
7. AMS (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02): detector montado en la ISS (International Space Station), detecta rayos cósmicos. Instalado en 2011.
8. MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray maging Cherenkov Telescope): rayos gamma
9. ALBA: Barcelona, acelera electrones 3 GeV, produce radiación sincrotrón.

Producción y detección: estadística

Eventos aislados no son concluyentes; un mismo evento (como las imágenes anteriores con 2 fotones y 4 muones) puede ser consistente con otros procesos de fondo también acordes al modelo estándar. Para confirmar la detección de una partícula el evento se debe repetir muchas veces (complicado si son procesos poco probables) y haber una detección significativa. Se incluye un ejemplo con eventos donde hay dos fotones donde se destaca el bosón de Higgs frente a procesos de fondo. Hay colisionadores “orientados al descubrimiento” con muchas colisiones de muchas partículas (como LHC) frente a colisionadores con colisiones con pocas partículas (como LEP).

¿Qué es una partícula elemental? Simetrías

La idea esencial es que, haciendo colisionar partículas con una energía controlada, el resultado no siempre es el mismo, pero siempre cumple ciertas reglas mecánica cuántica de conservación; sí se sabe la probabilidad de distintos resultados según mecánica cuántica. Asociada a cada ley de conservación hay una simetría asociada (Teorema Noether): el resultado obtenido siempre cumple ciertas simetrías. Citando a Heisenberg “una vez sabido que en colisiones de muy altas energías se puede crear un número arbitrario de partículas, con la sola condición de que la simetría inicial sea idéntica a la final, había que suponer que cualquier partícula era realmente un complejo sistema compuesto, pues sin faltar totalmente a la verdad cabe decir que cualquier partícula consiste virtualmente en un número arbitrario de otras distintas...lo que tenemos que buscar no son partículas fundamentales, sino simetrías fundamentales”.
La idea de simetrías en Física es que algunas propiedades de partículas/leyes son invariantes ante ciertas transformaciones, por ejemplo ante rotación o inversión. Un ejemplo es la simetría CPT (conjugación de Carga, transformación de Paridad, inversión de Tiempo). Las simetrías se tratan en matemáticas mediante grupos de Lie y álgebras de Lie, y tienen mucha importancia en la unificación en Física.

Aplicaciones de la física de partículas

Además de ser física fundamental, la física de partículas tiene aplicaciones directas en otros campos. En Física médica, la detección de partículas se utiliza en diagnóstico por imagen, la producción de partículas se utiliza en radioterapia, combinándose a veces como ocurre en PET, y el conocimiento permite el estudio de la protección radiológica. Algunos ejemplos:

1. Tomografía Axial Computerizada (TAC o “escáner”): múltiples radiografías (rayos X) que se combinan informáticamente y permiten una visión tomográfica (en 3D y realizar “cortes”). Los rayos X se producen acelerando electrones y haciéndolos chocar contra un metal.
2. Resonancia Magnética Nuclear: un campo magnético intenso afecta a los núcleos de los átomos del cuerpo y emiten ondas que tras ser detectadas permiten una visión tomográfica, con mayor resolución.
3. PET (Positron Emission Tomography): se introducen sustancias radiactivas (“contraste”) que emiten positrones que al aniquilarse con electrones producen fotones. Requiere producir isótopos de vida corta, que se hace mediante aceleradores.
4. Además el volumen de procesado de información y datos ha derivado en aplicaciones tecnológicas como World Wide Web y GRID , ambos surgidos en CERN.