15 de febr. 2011

El món d'allò molt petit


Enrique Fernández, Comitè de Política Científica del CERN



Resum: En l'escala subatòmica, els conceptes definits per la Física canvien de nom i de comportament. La disciplina, de fet, entra en el territori de la Mecànica Quàntica, un món en què se sap que passen coses però no exactament ni com ni per què. Entrar en aquesta escala, a més de permetre obrir noves portes al coneixement, ens ha de portar a descobrir quin és l'element més fonamental de la matèria i, de passada, pensar en noves i inesperades aplicacions.

Conferència: EL MÓN D'ALLÒ "MOLT PETIT"

El món "d'allò molt petit" és difícil d'entendre, es troba massa lluny de la nostra intuïció. De fet, de manera intuïtiva només es pot comprendre el que es troba a escala humana. En el cas del petit món de les partícules hi ha, a més, una altra complicació essencial: a partir d'una certa mesura, les lleis de la física canvien radicalment. La descripció del món submicroscòpic és totalment diferent de la del món macroscòpic i, de vegades, no és intuïtiu en absolut.

Aquest canvi de lleis es produeix a 10-10 metres, mesura dels àtoms. A 10-15 metres, és a dir, 10.000 vegades més petit, arribem a la mesura del protó, partícula subatòmica. Per sota d'aquesta escala s'inclouen els quatre ingredients bàsics que composen tota la matèria ordinària que ens envolta: l'electró, conegut des de fa 100 anys, els quarks (quark-o i quark-d), coneguts en els anys 70, i els neutrins, partícules molt especials perquè penetren moltíssim (poden travessar la terra sencera). Els neutrins són molt abundants, el sol els produeix en grans quantitats, passen a través nostre travessant la Terra i, de tant en tant, es detecten.

Els protons i els neutrons, components dels nuclis atòmics, estan compostos d'aquestes quatre partícules elementals. La grandària d'aquestes partícules és inferior a 10-18 metres, encara que en realitat es desconeix si tenen mesura o no.

INVESTIGANT SOBRE "ALLÒ PETIT"

Protons i neutrons

La força de repulsió elèctrica entre els protons dins el nucli és enorme, de tones. No obstant això, els protons es mantenen units en un nucli i, de fet, és molt difícil separar-los.

Per què es mantenen units, tot i la força enorme que els tendeix a separar? Hi ha una interacció, coneguda com a força forta, que permet aquesta unió. Un protó està fet de tres quarks, dos ui un d, units per la força forta.

Les propietats dels elements s'entenen a un nivell bàsic perquè es coneix l'estructura atòmica. De fet, les propietats fonamentals depenen de l'última capa dels electrons en un àtom. Seria molt interessant arribar a entendre la força forta i com estan units els quarks. Per ara és ciència pura i no té aplicació, però podria tenir-la en un futur.

L'anomenada teoria de la Cromodinàmica Quàntica descriu perfectament el concepte de força forta. La teoria va començar a desenvolupar en els anys 70 i ha culminat en els 90. Avui és una teoria totalment acceptada i rigorosa.

Hi ha altres forces a petites distàncies que mantenen la unió entre els quarks. Una d'elles és la interacció dèbil o molt dèbil, la descripció de la qual es fa a través de la Teoria electrofeble. Una part concreta d'aquesta, la Electrodinàmica Quàntica, que va començar a desenvolupar en els anys 30, es considera la primera teoria quàntica sobre l'estructura de la matèria. Està englobada dins de la teoria electrodébil perquè descriu, d'una manera unificada, la teoria electromagnètica i la teoria feble.

Les teories quàntiques de camps s'allunyen totalment de la intuïció i són rigoroses a un nivell matemàtic. Fins i tot no hi ha paraules per descriure que és el que passa. Per exemple, quan hi ha una interacció perquè dos protons estan units per la força forta, estan units per què s'intercanvien quants d'interacció que es diuen gluons (hi ha vuit). La força electromagnètica passa perquè s'intercanvien fotons.

Aquesta pregunta ja la van fer els físics del segle XVIII. Per exemple, Newton es preocupava molt de l'acció a distància: Per què una poma és atreta per la Terra? Estan separades, i no obstant això la Terra l'atreu i si es realitza el buit entre les dues, se segueixen atraient. Segons ell, havia d'haver alguna cosa per explicar aquesta acció a distància. Actualment, i amb les teories quàntiques, s'explica per l'intercanvi d'energia en forma d'una altra partícula.

L'electró té una antipartícula que es diu positró. S'ha mesurat, es pot detectar i es poden estudiar les seves propietats. Els quarks tenen antiquarks i, si hi hagués tres antiquarks en lloc de tres quarks, apareixeria un antiprotó (descobert a finals dels anys 40).

Al CERN es van aconseguir antiátomos d'hidrogen amb un protó i un electró que es van unir. Duren molt poc, són molt inestables per perquè xoquen amb la matèria que queda, però s'han arribat a fabricar.

Aquest intercanvi de partícules té una petita complicació, ja que aquestes partícules són virtuals. La virtualitat té una expressió matemàtica rigorosa, difícil d'explicar amb paraules. Una altra conseqüència d'aquesta virtualitat és que el buit quàntic, el més absolut que es pot concebre entre galàxies, no és tal buit, sinó que està fet de partícules i antipartícules que s'estan creant i destruint constantment.

Un altre aspecte, inesperat i inexplicable, és que aquesta família de partícules té una rèplica i una segona rèplica idèntiques. Són rèpliques en el sentit que es comporten igual respecte a les interaccions, però tenen una massa molt més gran. Per exemple, el quark-t és com el quark-o, però en lloc de pesar 3 gigaelectrovolts pesa 74, moltíssim més. No se sap el perquè ni hi ha una explicació a priori, però és un fet.

Les lleis de la física són totalment simètriques respecte a partícules i antipartícules. No obstant, tot el que ens envolta, i nosaltres mateixos, està fet de partícules, de protons i neutrons (no d'antiprotons i antineutró). Sense saber encara el perquè, les antipartícules apareixen només en situacions molt anormals. En l'origen de l'Univers que ara es creu (el Big Bang), hi havia una simetria perfecta entre partícules i antipartícules que, d'alguna manera, s'ha destruït. Ara només queden partícules.

El perquè de la massa

Altres qüestions plantejades en el món de les partícules són, per exemple, arribar a caracteritzar l'estructura dels elements per sota de 10-18 metres (si és que existeix), i una altra que surt molt en els mitjans: definir el perquè de la massa.

La Cromodinàmica Quàntica i la teoria electrofeble són teories amb uns principis de simetria molt generals que requereixen que totes les partícules que s'intercanvien siguin pura energia i que no tinguin massa. Per exemple, el fotó, la partícula de la llum, no té massa, és pura energia. En canvi, els gluons, mediadors de la interacció forta, i els bosons (wiz), transmissors de la força feble, que tampoc haurien de presentar massa, la tenen.

Encara que es desconeix, alguna cosa ha de produir aquesta massa. El bosó de Higgs, partícula elemental l'existència encara no ha estat detectada de forma definitiva, podria ser la resposta. El bosó de Higgs seria, doncs, una altra partícula d'interacció. Aquesta crearia un camp, un mitjà, on les partícules es mouen. Complica la seva mobilitat, i el treball que exerceixen per moure's és el que genera la massa.

Supersimetría

Les partícules de la matèria, els quarks i els electrons (i les altres famílies), tenen spin fraccionari (propietat intrínseca d'un tipus determinat de partícules anomenades fermions). Les partícules d'interacció de la força feble, els bosons, són d'un altre tipus: tenen spin sencer. Són del tot diferents i separen enormement les propietats. No obstant això, és possible, i seria conceptualment molt important, que hi hagi una simetria entre tots dos, que fermions i bosons estiguin relacionats. És el que es coneix com supersimetria.

El Bosó de Higgs

És un projecte internacional perquè, tot i que es fa a Ginebra i per part d'un organisme europeu, hi ha altres laboratoris en otos llocs del món (Estats Units i Japó) que contribueixen en elements essencials.

L'instrument és gegant, de 27 km de circumferència (per la seva grandària es podria veure des d'un satèl.lit). L'accelerador es troba dins d'un túnel, però tots els seus elements estan units. Consisteix en imants que permeten que partícules al seu interior (protons) donen voltes en una trajectòria corba. També disposa d'altres dispositius que fan que aquests protons s'accelerin i adquireixin més i més energia, com per exemple les cavitats de radiofreqüència.

La tecnologia d'aquest accelerador permet que s'accelerin els protons en direccions oposades perquè xoquin. Quan aquests xoquen entre ells, en realitat no ho fa el protó com un tot, sinó les partícules elementals que el formen: un quark amb un altre quark, un gluó (emès pel quark abans de xocar) amb un quark o, el que és més habitual, un gluó amb un altre gluó.

L'instrument té aplicacions tecnològiques immediates molt complexes i difícils d'explicar, perquè per a realitzar s'ha hagut de desenvolupar tecnologia. Hi ha hagut diversos anys de disseny i de fabricació de materials que mai abans s'havien fet.

Els protons, que s'acceleren en grans quantitats, van incorporats en una mena de núvol que es creua amb una altra núvol en el moment del xoc. Generalment aquest xoc es produeix molt de front (molt a prop l'un de l'altre), de manera que xoquen a través de la força forta. L'estudi es centra en conèixer què passa quan es dóna aquest xoc. El detector ATLAS és l'instrument gegantí més important que s'ha creat per a detectar i analitzar quines són i quines propietats tenen les partícules que xoquen. Un altre detector de partícules interessant és el CNS, amb col.laboració de diversos grups espanyols.

Hi ha tres centres espanyols amb col.laboració directa: IFAE Barcelona, Universitat Autònoma de Madrid i Universitat de València.

Construir el detector ATLAS comportar un treball molt complex, amb diversos anys de disseny i de concepte. Durant l'any 1989 es va realitzar una setmana d'estudi, amb dues xerrades que es van convertir en l'embrió del que és avui el detector, que ja es troba a 120 metres de profunditat sota terra, al voltant del túnel.

La part tècnica del ATLAS, amb aplicació immediata, és realment espectacular. El nombre d'ordinadors utilitzats per controlar ATLAS i digerir les seves dades és d'uns 2.000. A més, cadascun té un doble processador.

El detector conté uns imants per detectar partícules. Els imants que hi ha a la part externa es van fer a Espanya, amb l'Institut IFAE d'intermediari entre l'empresa que els va construir, Duro Felguera Construccions Mecàniques, i el CERN. El transport dels imants va ser realment espectacular. Vuit toroides de 26 metres de llarg i 8 d'ample van realitzar un viatge que els va portar des de la zona d'Astúries fins a Ginebra.

La principal tasca que es pretén dur a terme en el LHC és comprovar si realment existeix el famós bosó de Higgs, suposada partícula elemental que si es trobés permetria avançar en molts aspectes que fins ara són desconeguts.

Un exemple és el que fa referència a la supersimetria. Presenta una incògnita en termes d'astrofísica i és que, quan s'observen les galàxies, els astres que hi ha al voltant d'aquestes giren a una velocitat molt més gran de la que correspon a la massa que hi ha dins de la seva òrbita. Si es coneix la massa que hi ha dins d'una òrbita i el fet que alguna cosa s'està movent, es pot predir exactament a quina velocitat es mou. Així, quan la fórmula es realitza per un estel dins la galàxia, aquesta es mou més ràpid del que correspon a la massa visible. D'això se'n diu la matèria fosca.

Se sap que aquesta matèria fosca (per l'abundància dels elements o el quocient entre la quantitat d'heli i de nitrogen que hi ha al univers) ha d'estar feta de matèria no ordinària, no formada pels quarks. Llavors, què és la matèria fosca? La primera persona que es va adonar que feia falta una matèria fosca per a explicar les propietats de rotació les galàxies va ser Zwicky, astrònom suís emigrat als Estats Units.

La teoria més plausible afirma que la matèria fosca està feta de partícules supersimètriques. Així, si es troben les partícules supersimètriques s'hauran resolt resolt dos problemes, el de la matèria fosca i el de la simetria.

Un altre tema que presenta incògnites és el de les dimensions extra.

Si s'aconsegueix explorar l'espai a distàncies molt petites, a molt menys de 10-18 metres, potser es troben dimensions extra. Una de les persones que el va proposar va ser Lisa Randall.

El descobriment del bosó de Higgs culminaria el model estàndard de les partícules, però al mateix temps introduiria preguntes per les quals no hi ha resposta i que tenen a veure amb el buit quàntic. Si el buit quàntic no és tal buit, ha d'haver una energia associada a aquest. Es creia que aquesta energia era zero, però des de fa 10 anys s'ha comprovat que hi ha una petita energia en el buit. Aquest descobriment ha canviat radicalment la visió sobre l'estructura mateixa de la matèria i sobre les teories quàntiques.

Veure el vídeo de la conferència

2 comentaris:

Abel Ahar ha dit...

Here we present to introduce to all visitors in this great blog. and thank you for allowing me .

cara menggugurkan kandungan
obat aborsi
tanda tanda kehamilan

dada xu ha dit...

san francisco giants jerseys
adidas superstar
oakley sunglasses
christian louboutin outlet
michael kors bags
coach outlet
michael kors handbags
adidas shoes
michael kors outlet
nmd adidas
chenshanshan20170315

Publica un comentari a l'entrada