Primeras partículas bellas en LHCb

Esta semana miembros del experimento LHCb en el gran colisionador de hadrones (LHC) han anunciado la observación (o redescubrimiento) de la primera “partícula bella”. Sí, bella. La belleza es una propiedad de las partículas fundamentales, así como lo es la carga eléctrica y la masa. Los físicos encontraron que existen varias propiedades particulares y quisieron usar nombres menos complejos (también existe el color, sabor, encanto… ya tendremos tiempo de discutir esas otras propiedades).

Para entender qué significa esta noticia es necesario comprender dos conceptos: la diferencia entre partículas fundamentales y partículas compuestas, y qué es la antimateria.

Partículas fundamentales vs. partículas compuestas.

Desde el tiempo de los griegos que el hombre se ha cuestionado acerca de la estructura básica de lo que nos rodea, incluso crearon un nombre para ello: átomo, que significa indivisible. Ellos llamaron átomos a los ladrillos fundamentales de los cuales todo lo que existe está contruido. Un átomo se une con otro átomo para formar estructuras compuestas llamadas moléculas: por ejemplo la sal común se forma cuando un átomo de sodio (Na) se une con un átomo de cloro (Cl). Aquí ya nos encontramos con la diferencia entre fundamental (átomos) y compuesto (moléculas). Sin embargo, a principios del siglo XX se descubrió que existían partículas más pequeñas que los átomos, por lo tanto había algo más fundamental. Así fue como aparecieron las primeras partículas subatómicas: el protón y el neutrón (que se encontran en el núcleo de los átomos), y el electrón (que orbita en torno al núcleo). Este descubrimiento permitió comprender por qué existen tantos elementos (átomos) en la naturaleza: los elementos químicos son simplemente diferentes combinaciones de protones, neutrones y electrones! Entonces el átomo que creíamos fundamental es en realidad una estructura compuesta, al igual que las moléculas pero a una escala más pequeña. La historia no termina aquí, porque a mediados del siglo XX con la llegada de los primeros colisionadores de partículas, los físicos descubrieron otras (muchas) partículas muy parecidas a los protones y neutrones, son como primos del protón. Esto llevó a pensar que quizás estas partículas no son fundamentales tampoco y están “hechas” de algo más pequeño. La sospecha resuló ser correcta: neutrones y protones están constituidos por partículas más pequeñas y que hasta el día de hoy pensamos son fundamentales de verdad: los quarks. El electrón por su parte parece ser fundamental, no está hecho de quarks. Decimos entonces que neutrones, protones y sus primos (llamados hadrones) son partículas compuestas de quarks, que son las partículas fundamentales. Existen seis tipos de quarks con nombres bastante simpáticos: up (arriba), down (abajo), charm (encantado), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo). El protón está hecho de tres quarks: dos up y un down denotados como “uud”; de  la misma manera el neutrón es “udd”.

Antimateria

Durante décadas la ciencia ficción ha usado y abusado de esta palabra a tal punto que al escucharla hoy en día nos suena como algo muy fantástico. La antimateria no es ciencia ficción, es ciencia real. La idea básica es que en la naturaleza existen partículas fundamentales como las descritas arriba (quarks, electrones y unas cuantas más) que tienen cierta carga eléctrica. También existen otras partículas fundamentales (antipartículas) que son idénticas a las anteriores pero con la carga eléctrica opuesta. Por ejemplo, el electrón tiene carga eléctrica -1, mientras que su antipartícula (o antielectrón) llamada positrón tiene carga eléctrica +1, básicamente “un positrón es un electrón positivo”; entre los quarks uno de los más livianos es el “up” (arriba) que tiene una carga eléctrica +2/3, mientras que el “antiquark up” tiene carga eléctrica -2/3. Puede verse que las antipartículas no son algo del otro mundo ni tan fantásticas como suena, son partículas comunes y corrientes con la carga electrica opuesta. Entonces por qué su nombre es tan rimbombante? Resulta que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula (por ejemplo un electrón que se encuentra con un positrón), ambas partículas se aniquilan y se convierten en energía. Este fenómeno ha sido observado hace décadas por lo que sabemos que es real y por lo mismo ha sido sugerido como método para propulsar naves espaciales. Sin embargo hay un problema: estamos rodeados de partículas, pero no de antipartículas (afortunadamente) y no sabemos por qué, ese es el principal objetivo del experimento LHCb.


Partículas bellas en LHCb

En la lista de quarks dada arriba, hay uno llamado bottom (originalmente llamado beauty) el cual tiene una propiedad que ninguno de los otros cinco quarks tiene, propiedad que los físicos llamaron belleza. Cada vez que este tipo de quark se une a otro para formar una partícula compuesta se dice que esta nueva partícula es bella. La partícula observada recientemente en LHCb tiene un nombre poco creativo, se llama B+ y está compuesta por un quark up y un antiquark bottom. No es una partícula nueva, no se ha descubierto algo acá, simplemente se ha redescubierto esta partícula en un experimento justamente diseñado para ello. La “b” en el nombre del experimento (LHCb) significa que está diseñado para medir partículas que contengan este quark (b=beauty/bottom). La imagen muestra uno de los típicos eventos en LHCb, donde las partículas que colisionan generan un cono de partículas que son detectadas, entre ellas el B+.
Ante ciertos titulares que hablan del “LHC creando antimateria” es importante mencionar que sí, el LHC está creando partículas de antimateria, sin embargo estas partículas viven sólo fracciones de segundo, no se está almacenando la antimateria como puede leerse en algunos medios, nadie sabe cómo almacenarla. Una de las posibles fuentes de confusión es la película “Ángeles y Demonios” basada en el libro de Dan Brown, la cual comienza justamente en el LHC donde se roban una botella con antimateria para construir una bomba. Tanto el libro como la película son ficción pura, por lo cual no hay que preocuparse por aquellos titulares alarmistas. No es que la antimateria vaya a ser utilizada para algo, dada su corta vida sólo pueden medirse propiedades básicas de estas partículas bellas, que es justamente el objetivo de LHCb.

Finalmente, es importante también destacar que a pesar de no haber descubierto algo nuevo, la observación de este B+ muestra que el LHC y este experimento LHCb están funcionando como se esperaba lo cual es un logro colosal con una máquina tan compleja. Seguiremos atentos con lo que pase en el LHC por un buen tiempo.

Para una explicación completa acerca de las partículas fundamentales en un lenguaje muy ameno y entretenido no puedo dejar de recomendar el libro “A la sombra del asombro”, de Francisco Claro quien ha sido entrevistado en el pasado, físico que actualmente es decano de la Facultad de Educación de la Universidad Católica. Según Roald Hoffmann, Premio Nobel en Química 1981, este libro es “asombroso, con su lenguaje fácil, su actualidad, y atención tanto a lo complejo como a lo simple”.

PD: hoy el Telescopio Espacial Hubble cumple 20 años en órbita, una interesante reseña al respecto puede encontrarse aquí.

Actualización: una breve pero bastante completa descripción más técnica de esta noticia puede encontrase aquí.

(c) Imágenes: Wikipedia, CERN

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Acerca de Jorge Diaz

Jorge Díaz es candidato a Doctor en Física Teórica en Indiana University, Estados Unidos, donde obtuvo su Master of Science en 2009. Actualmente se encuentra terminando su Ph.D. investigando posibles desviaciones de la relatividad y sus consecuencias en física de neutrinos. En Twitter: @jsdiaz_
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19 respuestas a Primeras partículas bellas en LHCb

  1. Me gusto tu post. Me recordo mi tierna infancia en fisica el año 1997 cuando Nino Bralic nos contaba estas cosas. Pero mas me recordo cuando fui ayudante de este curso (ayudante tuyo por cierto…) y tuve que intentar explicarlo sin ser conocedor del tema (despues del capitulo del “electron flaco” era simple!)
    Un abrazo,
    Felipe

  2. chulini dijo:

    Increible tu post. Me aclaró muchas cosas que, o se me habían olvidado, o no sabía. Me acuerdo que mi profe de fisica (Iván Schmidt) nos hablaba mucho de estos temas.

    Espero que sigan actualizando este blog a medida que aparezcan mas resultados del LHC.

    Saludos!

    • Jorge Diaz dijo:

      Chulini,
      bienvenido a nuestro blog. Si aclaró algo me alegro, esa es justamente la idea de este proyecto. Esperamos mantener al día las noticias del LHC así como también otras de diversos temas, desde divulgación y educación hasta cosas en general que puedan resultar interesantes.
      El plan incluye escribir una secuencia de posts acerca del modelo estándar y el zoológico de partículas en general que seguirán apareciendo en las notcias, así que como dicen los gringos “stay tuned”.
      Saludos

  3. Pingback: Serie sobre partículas elementales « Conexión causal

  4. Sebastián dijo:

    vaya! así que sí se podía entender el cacharro ese jojo. Excelente iniciativa, soy un aficionado a la fisica y la astronomia, bastante amateur pero aficionado al fin, me maravilla el universo y sus secretos.

    Muchas gracias, seguiré pendiente al blog!

    BendiZión

    PD: y en español!!! O: AWESOME =D

    • Jorge Diaz dijo:

      hola Sebastián,
      me alegro que el artículo haya servido para clarificar ideas, ese es el propósito de este blog. Esperamos mantenernos al tanto con lo que ocurre en esta y en otras áreas. El ser amateur como dices puede ayudar montones ya que significa que tu interés es completamente espontáneo, todos comenzamos así.
      Gracias por el saludo

  5. Sebastián dijo:

    me tomaré la libertad de hacer una preguntita está bien?

    a ver si nos pudieras explicar por qué se dice que estos experimentos podrían llegar a crear los famosos (y también bastante míticos e incomprendidos) hoyos negros. Qué tan cierto es eso y cuales serían las implicaciones?

    muchas gracias!!!!!

  6. Jorge Diaz dijo:

    gracias también por tu pregunta, siéntete libre de hacerlas, eso genera una interacción más dinámica.

    Primero quisiera aclarar que los agujeros negros no son tan míticos como parece, son objetos bastante bien establecidos. A pesar de no haber sido observados en forma directa (por definición), los efectos en su entorno son bastante bien comprendidos y han sido verificados muchas veces, por lo tanto hoy en día creemos que los agujeros negros son una realidad.
    Lo que no es muy real es su aparición en colisionadores. Esto ya anduvo dando vueltas en las noticias a fines de los 90 cuando el colisionador de iones pesados (RHIC) en el Brookhaven National Lab se preparaba para comenzar operaciones. La gente que puso la demanda en contra del RHIC por la posibilidad de que un agujero negro se tragara la Tierra es la misma que ahora demandó al LHC.
    Uno de los argumentos que esta gente utiliza es que en el mundo de la mecánica cuántica todas los posibles resultados de un experimento para ir de una configuración A a otra B pueden ocurrir, esto incluye la formación de agujeros negros así como la aparición de dragones lanzafuego como resultado del experimento. En otras palabras, todo esto está basado en malinterpretaciones de algunas ideas del mundo a escalas pequeñas, cuyas reglas llamamos mecánica cuántica.
    A modo de comparación, durante el proyecto Manhattan surgió el rumor que una explosión nuclear podría destruir el planeta o al menos la atmósfera. A pesar de que el miedo era infundado es siempre mejor prevenir y todo un estuidio fue realizado al respecto que concluyó que no presentaba peligro alguno (otro que la contaminación radiactiva).

    Resumiendo, nadie en la comunidad cientifica cree que las colisiones a altas energías en los colisionadores vayan a producir un agujero negro que se tragará el planeta, uno de los argumentos más sólidos usados por los físicos es el hecho de que todos los días en la alta atmósfera ocurren colisiones mucho más energéticas cuando rayos cósmicos se encuentran con nuestro planeta en su camino. Si la idea de que agujeros negros se forman en colisiones de alta energía entonces lloverían agujeros negros hace milenios…

    Ojalá esto ayude en algo, cualquier cosa nos escribes.

    Saludos

  7. camilo luna dijo:

    y entonces porque seria importante hoy en dia

  8. camilo luna dijo:

    para que seria utilizada estas particulas consecuencias etc

    • Jorge Diaz dijo:

      Camilo,
      no es que las partículas de antimateria vayan a ser utilizadas para algo en particular, sólo se trata de medir con detalle sus propiedades. Por qué? Como describe el artículo, el objetivo principal del experimento LHCb es medir las propiedades de partículas bellas, esto es porque hay un tipo particular de hadrones compuestos por quarks b que no tienen carga eléctrica, también existe su antipartícula que tampoco tiene carga y entre ellos ocurre un fenómeno muy particular llamado “oscillación” que básicamente consiste en que uno se transforma en el otro. El estudio de estas partículas permite mediciones muy precisas de las diferencias entre materia y antimateria que es lo que se espera comprender: nuestro universo se creó a partir de una gran explosión (big bang) donde cantidades de materia y antimateria se originaron en cantidades iguales, sin embargo hoy sólo vemos materia y no antimateria… eso implica que debe existir una diferencia entre ellas, en el lenguaje de los físicos “la simetría entre materia y antimateria (llamada técnicamente simetría CP) no es exacta”. El origen de esta asimetría es lo que se quiere comprender.
      Si llegamos a comprender el origen de esta asimetría podremos responder una pregunta muy fundamental que puede ser planteada de esta manera: si materia y antimateria se aniquilan en forma de energía al entrar en contacto y luego del big bang se crearon cantidades idénticas de materia y antimateria, por qué existe el universo?
      La respuesta a esta pregunta es uno de los más grandes misterios de la física actual y el estudio de las partículas bellas puede darnos la respuesta. Esa es su importancia.
      Saludos

    • Hola Camilo,
      A pesar de que Jorge Diaz (que es el experto de nuestro grupo en este tema) ya te respondio tus inquietudes, quisiera agregar unas pequeñas generalidades. En general, los experimentos asi, no buscan ser “utiles” para la sociedad (por decirlo de alguna forma). Su principal objetivo es responder preguntas que la Humanidad se ha hecho por muchos años.

      Sin embargo, existen muchisimas cosas “utiles” para la sociedad que han nacido gracias a estas investigaciones (que habrian nacido mucho despues o talvez nunca haber nacido). Por ejemplo… la gente del CERN quizo en algun momento “comunicar” sus computadores porque habia tanta informacion que los diskettes de la epoca no daban abasto. Entonces, se les ocurrió crear un protocolo que permitiera a los computadores comunicarse… que le llamaron WWW. ¡¡Asi fue como nació la World Wide Web!! Además, hay muchas aplicaciones en medicina que han nacido alli, como algunas técnicas de detección del cáncer e imagenología. Y asi muchas más.

      Espero que estas respuestas (de Jorge y mia) te ayuden a clarificar ideas.
      Por favor, dinos si te parece la respuesta o si tienes mas preguntas. Ese es el principal objetivo de este blog.
      Espero sigas leyendo nuestros articulos!!
      Felipe

  9. Pingback: Primer neutrino tau observado en OPERA « Conexión causal

  10. MjLescano dijo:

    Buenas! Estuve leyendo algunas paginas sobre el LHC y me surgio una cuestion, teniendo en cuenta que juntando materia y antimateria se “crean” grandes cantidades de energia, si se descubre una forma economica de crear antimateria no seria una fuente bastante ilimitada de energia? No seria ese el veradero proposito del LHC ?

    • chulini dijo:

      Tengo entendido que crear antimateria es mega super hiper complicado y además de caro.

      De hecho el LHC y otros colisionadores pueden crear antimateria sólo por unos pocos milisegundos o nanosegundos no recuerdo bien.

    • Jorge Diaz dijo:

      Como dice chulini, uno de los problemas es el poco tiempo que duran estas partículas de antimateria, fracciones muy pequeñas de segundo. Por otro lado, es posible “fabricar” átomos de antimateria como el antihidrógeno que hoy en día es producido y mantenido por tiempos algo más extendidos gracias a trampas magnéticas, sin embargo en tu pregunta está la respuesta: esto no es económico. Es muy caro e ineficiente: la cantidad de energía que se utiliza para crear estas partículas es enorme comparada con la energía que puede extraerse. En un lenguaje más “económico” sería como instalarse con un negocio en el cual se compra dinero a 100 veces su costo… no es muy eficiente. Lo mismo pasa en estos experimentos, por ello si el LHC hubiese propuesto que resolvería nuestros problemas energéticos nunca habría sido aprobado ni construido porque se sabe que no es posible. El LHC es una máquina diseñada para estudiar física fundamental, en principio, sin aplicaciones. Sin embargo como Felipe señala más arriba, la utilidad de muchas investigaciones ha llegado sin que se le esperaba.
      Saludos.

  11. Pingback: Excitación genera descubrimiento de partícula excitada en el LHC y por qué esto no es muy excitante « Conexión causal

  12. luis dijo:

    esta pagina no es buena ni mala.

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