Las partículas en el borde de la física conocida #2 (parte 2)

En el #1 de esta modesta guía de partículas en el borde de la física conocida, hablamos de Bosón de Higgs y del Gravitón (como los llaman los físicos), los dos santos griales de la física actual. En aquel post explicábamos las consecuencias de descubrir esas partículas; la conclusión de descubrir el Bosón de Higgs no tendría consecuencias profundas en las física que conocemos, pero el descubrimiento del Gravitón generaría una formulación completa de algunas leyes bien aceptadas en la actualidad. A no desesperar que la física clásica seguirá siendo la misma, por lo que nada cambiaría para nosotros, o sea tendremos que seguir estudiando la física universitaria como lo hemos hecho hasta ahora.

Simulación del detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones, mostrando cómo se prevee que sean las trazas del Bosón de Higgs. Fuente: wikipedia

En esta entrada vamos a tratar un tema escabroso para la mayoría de nosotros, de hecho ya hemos dedicado un post a este tema. Si aún no imaginan de que hablo, les voy adelantando que es tan importante que sin este fenómeno no estaríamos aquí. Basta de rodeos, vamos a hablar del espín, temas áspero si los hay..

Entrando en la Zona Espín

El espín, un tema algo conflictivo, es un concepto confuso, no-intuitivo, es el tipo de cosas donde la rareza cuántica realmente se pone en marcha. Pero si vamos a hablar del mayor grupo de partículas por descubrir, tenemos que hacernos de coraje y hablar del espín.

La colisión de un quark (la esfera roja) desde un protón (la esfera naranja) con un gluón (la esfera verde) desde otro protón con espín opuesto. El espín está representado por las flechas azules alrededor de los protones y del quark. Los signos de interrogación azules alrededor del gluón representan la pregunta: ¿Están los gluones polarizados? Las partículas expulsadas de la colisión son una lluvia de quarks y un fotón (la esfera púrpura). Fuente: wikipedia

A primera vista, el espín cuántico no parece muy diferente de las cosas que observamos en el mundo clásico. Si usted toma un objeto cargado y lo hace girar, se crea un bucle de corriente, que a su vez crea un campo magnético. Es decir, es como hacer un electroimán y es eso básicamente lo que sucede en un sentido cuántico. Parece bastante simple, ¿verdad?

Aquí es donde las cosas se ponen peludas. Si estamos hablando de un electroimán en el mundo observable clásico, es perfectamente fácil de hacer girar al objeto cargado un poco más lento o más rápido, y de esta manera disminuir o aumentar la intensidad del campo magnético. Pero un electrón no funciona de esa manera –su espín será siempre el mismo, y no hay absolutamente nada en el universo que lo pueda cambiar. El spin del electrón es una propiedad intrínseca e inmutable– algo así como si nuestro objeto cargado en el mundo clásico estuviera girando siempre a la misma velocidad, independientemente de cualquier interferencia externa.

Representación en corte transversal de los orbitales s, p y d del átomo de hidrógeno para los tres primeros números cuánticos. La intensidad del color indica la densidad de probabilidad. Fuente: wikipedia

Además, esta analogía sólo funciona para las partículas que tienen una carga. Las partículas con carga neutra como el fotón y el neutrino también tiene espín, pero como no tienen carga no hay efecto magnético relacionado. Realmente no hay manera exacta para hablar de espín sin al menos un par de semestres de física a nivel universitario, pero para nuestros propósitos, tres cosas son realmente importantes a saber: que es una propiedad intrínseca e inmutable de todas las partículas, que representa el momento angular de la partícula y crea un momento magnético. En cuanto a las partículas elementales, los leptones y los quarks tienen espín -1/2, y todos los bosones tienen espín -1.

Antes de pasar a las partículas por descubrir, una última reflexión sobre el espín. Imaginemos que se está de pie en el centro de una plataforma giratoria. Una vez que la plataforma ha girado 360 grados, su posición será exactamente la misma, entonces va a interactuar con el universo exactamente de la misma manera como lo hizo antes de que la plataforma comenzará a girar. Esa aseveración es verdad en el mundo clásico.

Pero digamos que usted tomó una partícula con espín -1/2, como un electrón, y lo puso en esa plataforma. Si gira la plataforma de 360 grados, el electrón no estaría en la misma situación cuántica que antes de la rotación. En realidad, estaría en la fase cuántica contraria, y que tendría que girar otros 360 grados para volver a su estado original. No sabemos si hay partículas de espín 2 (el gravitón podría ser uno, pero como dijimos, no se ha encontrado todavía) pero sólo tendría que girar 180 grados para volver a su estado original. Y algunos mesones, como el kaón, tienen espín -0, que, en términos de nuestra analogía, significa que en realidad sería imposible girarlos en la plataforma.

¿Por qué funciona el mundo cuántico de esta forma? El mundo cuántico es algo así como los rebeldes de la sociedad, desobedientes a la antigua autoridad de la física clásica, sólo obedecen su propio conjunto de reglas.

Vamos a dejar esto hasta acá, tanto espín ya estoy mareado o tal vez es la cerveza.. nop es el espín, la cerveza nunca marea, no es culpable de nada. En nuestro próximo número (#3), vamos a hablar de la simetría de estas raras partículas.