Yo quiero ser Físico de Partículas Experimental - José I. Crespo-Anadón

Y yo quiero ser...Físico de Partículas Experimental

(Por José I. Crespo-Anadón)

Descarga capítulo pdf

Escucha música mientras lees, vete al final.

¿De qué está hecho el Universo? Esa es la pregunta que mueve la Física de Partículas. A mí me enganchó cuando estaba en Secundaria, estudiando Química. Por aquel entonces, yo creía que los protones y neutrones del núcleo atómico y los electrones, colocados en esos orbitales con formas tan curiosas, eran los componentes básicos de toda la materia. Me encantaba mirar la Tabla Periódica, con todos los elementos tan ordenados, escribir ecuaciones estequiométricas asegurándote de que no se te perdía ningún átomo por el camino, dibujar estructuras de Lewis e imaginar cómo sería la molécula...

Pero entonces descubrí que todo eso se podía hacer con algo aún más fundamental: las partículas elementales. Resultaba que el protón no era una partícula elemental, sino que estaba compuesta por partículas más pequeñas, los quarks. En concreto, dos quarks up y un quark down. Los quarks up tienen una carga eléctrica positiva igual a 2/3 de la del electrón, los quarks down tienen un tercio de la carga eléctrica del electrón. Por eso la carga del protón es 2 × (+2/3) + 1 × (-1/3) = +1. En el caso del neutrón, está compuesto por un quark up y dos quarks down, por lo que la carga eléctrica total es cero. Los quarks además tienen una carga adicional llamada carga de color, y que puede ser roja, verde o azul (no son colores reales sino simbólicos, como el + y el – de la carga eléctrica). La interacción entre cargas de color se llama interacción fuerte, y es tan intensa que impide que los quarks puedan ser observados de manera aislada. Es esta fuerza la que confina a los quarks dentro del protón.

La tabla periódica de los físicos de partículas es la de la fig. 1. En ella se dividen las partículas que componen la materia en dos grandes grupos: las partículas que tienen carga de color se llaman quarks, las que no tienen, leptones. Todas ellas tienen espín, esa especie de momento angular intrínseco de la Física Cuántica, semi-entero, y por ello se les llama fermiones. En la primera columna, también conocida como primera familia, reconocemos los quarks up y down que acabo de mencionar, y el leptón más conocido, el electrón, que aprendemos en Química y que sí es una verdadera partícula fundamental. Además aparece el primer neutrino, el neutrino electrónico. Uno de los grandes misterios de la Física de Partículas es que hay dos familias más, y cada familia es esencialmente una copia de la anterior, pero con partículas más pesadas. No sabemos por qué hay tres familias y si podría haber más. Además, para cada una de las partículas que hay en la fig. 1 hay una antipartícula, una copia con la misma masa pero con carga opuesta. Así, la materia está compuesta por partículas, y la antimateria está compuesta por antipartículas. Es curioso señalar que tres familias es el número mínimo para que la materia y la antimateria puedan comportarse de manera diferente, lo que podría estar relacionado con que vivamos en un Universo hecho de materia y no de antimateria.

Fig. 1. Los fermiones (partículas con espín s = ½) fundamentales. La masa (m) se da en unidades de energía (electrón-voltio, eV) dividida por la velocidad de la luz al cuadrado (c²); 1 eV/c² ≈ 1.783 10^-36 kg. La carga (Q) se da en unidades de la carga del protón. 
Los símbolos  

representan las tres cargas de color que puede tener un quark. 
Las posibles quiralidades de la partícula se representan con los símbolos  

(levógira) ó 

 (dextrógira).

Los físicos de partículas no investigan solo qué partículas existen sino cómo interaccionan entre sí también. La teoría física que describe las partículas elementales y sus interacciones se conoce como Modelo Estándar, y es el resultado de unir la Teoría Cuántica con la Teoría de la Relatividad Especial. Según este modelo, las interacciones entre partículas también están mediadas por otras partículas elementales con espín entero, conocidas como bosones (Fig. 2).

             La interacción fuerte de la que ya hemos hablado está mediada por gluones, que portan una carga de color y una carga de anticolor (el equivalente del color para la antimateria). El hecho de que los propios gluones tengan carga de la interacción que median hace que, a pesar de no tener masa, su rango de acción sea extremadamente limitado, por debajo del diámetro de un protón. No obstante, es una interacción tan fuerte que incluso su componente residual es suficientemente intensa para vencer la repulsión eléctrica entre protones y permitir la formación de núcleos atómicos. La interacción electromagnética nos es más familiar, es la que mantiene a los electrones de un átomo ligados a su núcleo. Afecta a las partículas que tienen carga eléctrica. Su portador es el fotón, una partícula sin masa y sin carga que se propaga a la máxima velocidad posible en el Universo, la velocidad de la luz (c = 299792458 m/s). El alcance de la interacción electromagnética es infinito, pero a la escala de un protón es unas cien veces menos intensa que la interacción fuerte. La última interacción descrita por el Modelo Estándar es la interacción débil. Se llama así porque en la escala de un protón, es un millón de veces menos intensa que la interacción fuerte. La causa de esta debilidad es que sus mediadores, los bosones W± y Z0, son muy masivos (más de 80 veces la masa del protón), lo que a bajas energías hace que esta interacción esté suprimida. Esta interacción distingue misteriosamente entre izquierda y derecha, por lo que se dice que viola la simetría de paridad: sólo afecta a partículas que “giran” en la dirección contraria a las agujas del reloj (levógiras) o a antipartículas que “giran” en la dirección de las agujas del reloj (dextrógiras). Es más, esta interacción afecta de manera diferente a materia y antimateria.

Los físicos de partículas se suelen dividir en dos grupos: teóricos y experimentales; aunque la división no es infranqueable y hay físicos que combinan habilidades de distinta manera. Los físicos teóricos trabajan desarrollando el Modelo Estándar; por ejemplo, calculando las probabilidades de que ciertos procesos se produzcan (la Física de Partículas es Cuántica, y sólo se puede hablar de probabilidades de sucesos) o intentando ampliar el Modelo Estándar con nuevas partículas para explicar misterios como qué es la materia oscura, esa sustancia desconocida que es necesaria para explicar observaciones astronómicas pero que no emite luz. Los físicos experimentales realizamos experimentos para comprobar la validez de esas teorías, medir parámetros fundamentales del Modelo Estándar o realizar búsquedas de nuevas partículas o interacciones. Los físicos de partículas experimentales encarnan una versión moderna del ideal renancentista de excelencia en “las armas y las letras”, no sólo deben estar versados en las últimas teorías de Física de Partículas para poder ponerlas a prueba, sino que también deben ser capaces de diseñar, construir y operar los experimentos para ello, y analizar las ingentes cantidades de datos que producen.

Fig. 2. Los bosones fundamentales del Modelo Estándar.

En mi caso, yo estudio la física de neutrinos haciendo experimentos. De todas las partículas que componen el Modelo Estándar, los neutrinos son los peor conocidos. Sabemos que al menos hay tres tipos (o como decimos en Física de Partículas, sabores): electrónico, muónico y tauónico. No sabemos sus masas. Tenemos límites superiores  resultantes de aplicar las leyes de conservación de energía y momento a desintegraciones que implican a neutrinos, y sabemos que no son cero porque hemos observado transiciones periódicas de sabor entre neutrinos, conocidas como oscilaciones, que solo son posibles si son partículas masivas. Esto es, neutrinos producidos con un sabor pueden ser detectados con otro sabor porque por el camino su sabor no está definido, sino que se encuentran en una superposición de los tres sabores, al igual que el gato de Schrödinger está a la vez vivo y muerto hasta que se abre la caja. La frecuencia con la que cambian de sabor depende de la diferencia entre las masas al cuadrado de los neutrinos, y por eso sabemos que no son cero.

Durante el doctorado trabajé en el experimento Double Chooz, que usa los antineutrinos electrónicos producidos en la desintegración radioactiva de los productos de fisión de la central nuclear de Chooz (Francia). Con un detector situado a 1 km de los reactores, contamos el número de antineutrinos electrónicos en función de su energía, descubriendo que había un déficit debido a que algunos antineutrinos cambiaban de sabor durante el trayecto. Actualmente, trabajo en los experimentos MicroBooNE y SBND en Fermilab en Estados Unidos. Nuestro objetivo es investigar una serie de anomalías que sugieren que podría haber más sabores de neutrinos que los tres conocidos. Para ello, usamos un haz de neutrinos predominantemente muónicos producido por la colisión de protones contra un blanco de berilio, que produce partículas inestables que acaban desintegrándose en neutrinos. Contando el número de neutrinos en función de su energía seremos capaces de determinar si se está produciendo una oscilación más rápida de lo esperado gracias al efecto de los nuevos sabores de neutrinos. Estos nuevos sabores tendrían una peculiaridad: no estarían sometidos a ninguna de las interacciones del Modelo Estándar, por lo que se los conoce como estériles. Y en el futuro, DUNE, un experimento en preparación, usará un haz de neutrinos que atravesará 1300 km de tierra para medir si los neutrinos oscilan con la misma probabilidad que los antineutrinos, en búsqueda de las claves de la prevalencia de la materia sobre la antimateria en el Universo.

Además, como los neutrinos únicamente experimentan la interacción débil, solo podemos afirmar con certeza que existen neutrinos levógiros y antineutrinos dextrógiros. Esto, unido al hecho de que tengan masas tan pequeñas, nos hace preguntarnos si los neutrinos obtienen su masa del campo de Higgs como el resto de las partículas masivas, o tal vez exista otro mecanismo. Una posible alternativa requiere que los neutrinos y los antineutrinos sean en realidad la misma partícula.

¿Cómo se llega a ser físico de partículas experimental? ¡Empezando en el colegio! Te tienen que gustar y se te tienen que dar bien la Física y las Matemáticas, y durante la carrera de Física profundizarás muchísimo más en ellas. Pero Lengua e Inglés son igual de importantes. No es posible hacer ciencia si no puedes comunicar tus conocimientos y discutir temas con tus colegas de manera efectiva. La Física de Partículas es una disciplina muy internacional, y el inglés es el idioma oficial. Cuando llegue el momento de elegir, busca una Universidad que tenga investigadores que trabajen en Física de Partículas y ve a hablar con ellos. ¡No seas tímido/a! Los primeros años de la carrera son comunes a todas las especialidades, y ahí aprenderás todas las herramientas matemáticas que usarás después y los fundamentos de Física necesarios para poder dar el salto a las asignaturas optativas: Mecánica Cuántica Avanzada, Teoría Cuántica de Campos, Física de Partículas... Aprender a programar es muy importante: la cantidad de datos que hay que analizar es enorme y se usan ordenadores todo el tiempo. Hoy en día, los lenguajes más usados en Física de Partículas son C++ y Python. Aprende también a usar el sistema operativo Linux y los comandos básicos de la shell. También te recomiendo que aprendas a usar uno de los editores Emacs o Vim, y software de control de versiones (por ejemplo, git). Si quieres saber más [1].

Referencias:

[1] J.I. Crespo-Anadón, I. Ochoa, C. Vilela et al., “Columbia University Science Honors Program Particle Physics”, Web para la enseñanza de Física de Partículas.

Descarga capítulo pdf

José I. Crespo-Anadón

Doctor en Física

Postdoctoral Research Scientist, Nevis Laboratories, Columbia University

Investigador del Programa de Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid, Departamento de Investigación Básica, División de Física Experimental de Altas Energías del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Madrid.

Escucha música mientras lees.