El CERN (Centro de Física de Partículas), lugar donde se encuentra ubicado el LHC (Gran Colisionador de Hadrones). Anunció hoy que habían sido capaces de medir la interacción de campos de la fuerza nuclear fuerte (una de las 4 fuerzas fundamentales), con una precisión nunca conseguida. La medición fue realizada por ATLAS uno de los centros de experimentación del CERN.
Diagrama del LHC. Fuente: Instituto de Física de Partículas
ATLAS es uno de los 7 centros de detección de partículas del LHC, junto a CMS, ALICE y otros. Sus dimensiones principales: tiene un largo de 44m y 25m de diámetro y pesa aproximadamente 7 mil toneladas.
Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones. Fuente CERN
Fuerzas fundamentales y el modelo estándar
Las fuerzas fundamentales de la física son cuatro: nuclear débil, nuclear fuerte, electromagnética y gravedad. Estas cuatro fuerzas describen el Universo en el que vivimos mediante las interacciones de campo entre ellas.
Fuerzas fundamentales del universo. Fuente Mola Saber.
En cuanto a su magnitud de las fuerzas son las siguientes (de menor a mayor):
La fuerza de gravedad es la más fácil de entender, de hecho, todos la conocemos a diario. Esta actúa sobre todas las partículas que tienen masas y es de carácter atractivo. Desde el punto de vista de alcance es prácticamente infinito, pero es la más débil de las 4, siendo entre 10 y 39 veces más débil que las otras. Esta interacción es caracterizada por la partícula, aun por descubrir, los gravitones (por ahora solo teórica).
La fuerza nuclear débil es la encargada de que las partículas más inestables se desintegren. Es decir, gracias a ella se logran otras partículas producto de que se descomponen en otras más ligeras (este proceso se llama decaimiento). Debido a ella también se producen ciertas desintegraciones radiactivas, incluida el decaimiento beta.
Esta interacción actúa sobre las partículas llamadas leptones y quarks, tiene el menor alcance de las cuatro fuerzas fundamentales con 10^-15cm, casi 0.1% del diámetro de un protón.
La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas de los campos de interacción de las partículas cargadas eléctricamente, por extensión de las reacciones del campo de la química y de la biología. Su alcance es infinito, tiene acción atractiva o repulsivo y actúa sobre los fotones.
La fuerza nuclear fuerte, como su nombre lo indica, es la mayor de las cuatro fuerzas fundamentales. Y es la que explica la formación de los núcleos de los átomos, actuando sobre los que nosotros conocemos como protones y neutrones (gluones).
Esta fuerza permite que el núcleo atómico se mantenga unido, que en el papel, actúa de manera contraria a la electromagnética, que genera la repulsión entre los protones del núcleo, la fuerza nuclear fuerte, los mantiene unidos, y por ende es la encargada de la estabilidad de la materia.
Estas cuatro fuerzas actúan sobre las partículas elementales de las cuales está compuesta la materia, de lo que hoy se conoce como el modelo estándar de la física de partículas:
Partículas elementales que conforman el Modelo Estándar de la Física. Fuente Wikipedia.
La fuerza nuclear fuerte y su medición
La fuerza nuclear fuerte es descrita mediante una magnitud del modelo estándar (de físicas de partículas), llamada acoplamiento fuerte. Si bien se ha medido varias veces, es la que mayor error presentaba su cálculo respecto de las otras fuerzas fundamentales.
El LHC ejecuta estudios impactando partículas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, de ahí que se nombre sea “colisionador”. Para la prospección del campo de la fuerza nuclear fuerte, se estudió la interacción de los bosones Z que son el resultado de la colisión entre protones a una energía de 8TeV.
ATLAS encontró que la interacción de campos para la energía nuclear fuerte entre los bosones Z es de 0.1183 con un margen de error 0.0009, (0.8%), el menor conseguido hasta la fecha.
Según afirma el CERN, esta precisión de los experimentos se debe a la compresión experimental de los científicos respecto de la “… [] detección y la calibración del momento de los dos electrones o muones originados por la desintegración del bosón Z (colisión de protones), lo que dio lugar a precisiones que oscilan entre el 0,1% y el 1%”.
Desde el punto de vista teórico, los científicos del ATLAS usaron cálculos muy avanzados respecto del proceso de la desintegración de los bosones Z que: “consideran hasta cuatro bucles en la cromodinámica cuántica” (QCD es una teoría de campo que describe la interacción fuerte del estudio).
Stefano Camarda físico el CERN comenta que:
La fuerza nuclear fuerte es un parámetro clave del Modelo Estándar, pero sólo se conoce con una precisión porcentual… []
Finalmente, el físico del CERN destaca que;
… [] medir la magnitud del acoplamiento de la fuerza fuerte con una precisión del 0,8% es un logro espectacular. Muestra el poder del LHC y del experimento ATLAS para empujar la frontera de la precisión y mejorar nuestra comprensión de la naturaleza.
¿Qué te parecen los trabajos del LHC y el CERN?
