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El modelo Standard de particulas elementales

Podriamos decir que lo que hoy en dia se conoce como fisica de particulas nacio a finales del siglo XIX. En 1897 J. J. Thomson descubrio que la electricidad presentaba cualidades similares a las de una particula. Thomson le dio a esta particula hipotetica que regulaba el comportamiento de la electricidad el nombre de "electron", y a continuacion propuso un modelo atomico en el que el atomo era una masa cargada positivamente con electrones salteados para compensar dicha carga. (N del T: Algo asi como una brioche, donde los electrones serian las pepitas de chocolate. En el original ingles usan "plum pudding" dar una idea grafica de dicho modelo).

El modelo del atomo brioche no duro mucho tiempo. Entre los anyos 1909 y 1911 el neozelandes Ernst Rutherford llevo a cabo diversos experimentos que confirmaban el modelo nuclear de Nagaoka, consistente en un atomo formado por un nucleo con carga positiva rodeado de electrones orbitando a su alrededor. Este modelo permanece mas o menos intacto hasta el dia de hoy, salvo pequenyas variaciones como susituir los electrones por "nubes" de electrones. Este modelo establecio las bases para el magnifico descubrimiento de Bohr de que las orbitas electronicas debian estar situadas a distancias que fueran multiplos naturales de la longitud de onda, o con mas precision, que el espacio de posibles valores para las diferencias de energia entre los distintos orbitales no es continuo, sino discreto.

La particula asociada a la luz, el foton, fue introducida de forma algo mas polemica. Einstein se paso 20 anyos abogando por esta idea hasta que la confirmacion experimental de la misma llego en 1923 de la mano de A. H. Compton. El ultimo gran logro de este periodo fue el descubrimiento del neutron, en 1932, por parte de Chadwick, que resolvia las peculiaridades relativas a la masa de los elementos. Con este descubrimiento, la fisica disponia de los elementos basicos para explicar la naturaleza de la materi (electron, proton, neutro) y la luz (el foton).

El primer cambio radical a las bases de la teoria de particulas comienza con los trabajos de Dirac a finales de los anyos 20 y principios de los 30, siendo su descubrimiento fundamental la prediccion de que cada particula debia tener asociada una partiucla con identica masa, pero con carga opuesta. En un principio, Dirac era reluctante a publicar estas ideas teoricas no contrastadas, e intento tener en cuenta la posibilidad de que el proton y el electron fueran particulas complementarias de acuerdo con su modelo, sin mucho exito. Como senyalo Hermann Weyl, las masas del proton y el electron difieren en varios ordenes de magnitud, por lo que no encajan dentro de la prediccion de Dirac. Sin embargo, en 1932, un grupo experimental de Caltech, liderado por Anderson, consiguio fotografias las trazas dejadas por un positron, la antiparticula asociada al electron, demostrando asi su existencia. La teoria de Dirac duplicaba entonces el numero de particulas elementales conocidas.

El desarrollo de esta teoria en los 15-20 anyos siguientes es confuso, y se reparte en tres areas:

• La desintegracion beta (el proceso por el que un neutron se desintegra en un proton, mas un electron) parece dar lugar a un proceso en el que no se conserva la energia. Este defecto energetico se resuelve anyadiendo una pequenya particula sin carga, el neutrino, que no pudo ser observado hasta 1955
• Yukawa, al considerar la estabilidad del nucleo atomico, determino que debia existir una particula responsable de transmitir la fuerza nuclear fuerte. La masa predicha para esta particula debia ser mayor que la del electron, pero menor que la del proton. Por este motivo, Yukawa bautizo a estas particulas teoricas con el nombre de mesones.
• Se observaron particulas pesadas en tormentas de rayos cosmicos. Inicialmente se penso que estas particulas eran los mesones predichos por Yukawa, pero pronto se verifico que dichas particulas no tenian la masa apropiada.

A estas particulas aparecidas en los rayos cosmicos se les denomino muones. Los muones se comportan de manera similar a los electrones, pero son mas pesados. Tanto los mesones como los electrones son dos ejemplos de un tipo de particulas denominadas leptones. Algo mas tarde se lograron medir los mesones de Yukawa, a los que se rebautizo como piones. De nuevo, la palabra meson se reservo para referirse a un tipo de particula que es intercambiada por protones y neutrones y es responsable de la estabilidad del nucleo atomico.

En el periodo comprendido entre 1947 y 1960 mas y mas particulas fueron descubiertas, anayadiendo aun mayor complejidad al cuadro anterior, y desafiando todo intento de clasificacion. La fisica de particulas era un mar de caos hasta que aparecio Gell-man y con su nuevo modelo revoluciono la fisica de particulas. La genialidad de Gell-man fue proponer que todas las particulas descubiertas hasta el momento no eran en realidad particulas fundamentales, sino objetos compuestos. En su modelo, el llamo a los objetos fundamentales quarks, nombre sacado de un pasaje de la novela "Finnegan's Wake", de James Joyce. Para describir todas las particulas descubiertas hasta el momento, Gell-man tan solo necesito tres "especies" (el las llamo "sabores") de quarks:

• Up (arriba)
• Down (abajo)
• Strange (extranyo)

Hoy en dia, se sabe que existen otras tres variantes de quarks:

• Charm (encanto)
• Bottom (fondo)
• Top (cima)

El zoologico de todas las particulas conocidas se escindia entonces en dos grupos bien diferenciados: los ya mencionados mesones, compuestos por la union de dos quarks (de hecho, un quark y un anti-quark) y los bayrones, obtenidos mediante la union de tres quarks (o tres anti-quarks).

Aun seria necesario anyadir algunos detalles a este modelo para completarlo, en concreto, una propiedad de los quarks diferente de su especie. Sin que esto tenga ninguna interpretacion basada en la realidad, a esta nueva propiedad se le denomino el color. Repito: esto no tiene nada que ver con la nocion de color a la que todos estamos acostumbrados (N del T: En terminos matematicos, el color se refiere a una graduacion de los espacios que se estudian. Cuando se estudian algebras o algebras de Lie graduadas mediante un grupo finito, es habitual referirse a dicho grupo como el "grupo de colores" del algebra. No se si esta denominacion es anterior o posterior al nombramiento de la propiedad de los quarks).

Una de las mayores reservas acerca del modelo de Gell-man es el hecho de que hasta ahora ha sido imposible observar cada uno de los quarks de forma independiente (el problema del confinamiento o la amalgamacion de los quarks del que hablabamos en la charla anterior), sin embargo, toda la evidencia observada sustenta las predicciones hechas por este modelo. El problema del confinamiento de los quarks sigue sin resolver a dia de hoy. El modelo de quarks explica de manera brillante el funcionamiento de la fuerza nuclear fuerte, mientras que el uso de la propiedad del color permite modelizar la fuerza nuclear debil, fuerza esta ultima que fue unificada con el electromagnetismo a principios de los anyos 70 por Glashow, Salam y Weinnberg. Esta unificacion fue la primera pista de que quizas todas las fuerzas de la naturaleza pudieran ser descritas mediante una unica teoria final.