Francis en Aparici en Órbita (Más de uno, Onda Cero Radio): Las 61 partículas descubiertas en el LHC

Por Francisco R. Villatoro, el 3 abril, 2021. Categoría(s): Ciencia • Colaboración externa • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 5

He participado en la sección «Aparici en Órbita» de Alberto Aparici @CienciaBrujula en el programa «Más de Uno» @MasDeUno de Carlos Alsina @Carlos_Alsina en Onda Cero Radio @OndaCero_es (en esta ocasión presentado por Begoña Gómez de la Fuente). Te recomiendo disfrutar del podcast «Aparici en órbita: La nueva partícula descubierta en el acelerador del CERN», Onda Cero, 01 Abr 2021; también en «Las partículas descubiertas en el LHC, con Francis Villatoro; la flor más grande del mundo» iVoox, 02 Abr 2021.

Alberto y Begoña viajan radiofónicamente al túnel del LHC y se montan encima de un protón. Alberto menciona que se han descubierto 61 partículas, 60 partículas compuestas y el bosón de Higgs, que es la partícula elemental descubierta por el LHC. Y luego dan paso a mi entrevista. Debo confesar que preparé un guión para contestar a las preguntas de Begoña que le pasé a Alberto en el que abusaba un poco de la jerga de física de partículas, de los nombres de físicos y de las fechas de sus aportes; junto a Alberto revisamos el guión para reducir al mínimo la jerga, los nombres y las fechas. Para evitar la tentación de publicar dicho guión aquí, decidí borrarlo. Más información en mis piezas «En el LHC del CERN ya se han descubierto 60 nuevas partículas», LCMF, 14 mar 2021, y «TOTEM y DZero publican el descubrimiento del odderon», LCMF, 10 mar 2021.

Ir a descargar el podcast.

BEGOÑA: «¿Por qué hay tantísimas partículas diferentes? Si son “los ladrillos de los que está hecho todo lo demás”, ¿no sería lógico que hubiera sólo unas pocas?»

FRANCIS: Lo primero, hay dos tipos de partículas, las elementales (que están hechas de ellas mismas) y las compuestas (que están hechas de otras partículas); de hecho, en la primera mitad del siglo XX se creía que todas las partículas eran elementales, hasta que se desveló que algunas eran compuestas a finales de los 1960; más aún, las que ahora creemos que son elementales podrían ser partículas compuestas en el siglo XXII”.

ALBERTO: Podemos imaginar las partículas compuestas como si fueran átomos. Los átomos están formados por electrones alrededor de los núcleos atómicos. Pues una partícula compuesta sería una especie de “átomo”, pero no formado por electrones y núcleos, sino por otras cosas. Las que conocemos están hechas de quarks y gluones.

FRANCIS: La idea de que debería haber pocas partículas elementales parece razonable, pero aún no sabemos el porqué. Por un lado tenemos los quarks que sienten la interacción fuerte y los leptones  que no la sienten. La interacción fuerte tiene otras partículas elementales asociadas llamadas gluones, como ha comentado Alberto. La interacción es tan fuerte que los quarks y los gluones solo pueden existir dentro de partículas compuestas. Igual que hay muchos tipos de átomos, que son los elementos químicos, también hay muchísimas partículas compuestas de quarks y gluones. Por ello la mayoría de las partículas descubiertas en el LHC son compuestas, que solo ha descubierto una partícula elemental, el famoso bosón de Higgs.

BEGOÑA: «El Higgs, ¿por qué fue una noticia tan sonada su descubrimiento?»

FRANCIS: El Higgs es una pieza clave en la teoría que describe las interacciones entre partículas elementales, llamada modelo estándar. Algunas de estas interacciones requerían partículas con masas muy grandes, pero el modelo estándar pide a gritos que las partículas no tengan masa. O el modelo estándar era completamente erróneo o había un mecanismo que le diera masa a las partículas. El Higgs introduce este mecanismo, así su descubrimiento se consideraba imprescindible para entender por qué el modelo estándar es como es. Uno de los objetivos más destacados del colisionador LHC era descubrir el bosón de Higgs. Tras acumular datos entre 2010 y 2012, se anunció a bombo y platillo su descubrimiento. Para mucha gente, el Higgs completó el modelo estándar.

BEGOÑA: «Entonces, ¿si no existiera el Higgs las cosas que nos rodean no tendrían masa?”

FRANCIS: Muy buena pregunta, pues la respuesta es sí y no. El mecanismo de Higgs dota de masa a las partículas elementales como el electrón y los quarks. Pero las partículas compuestas (como el protón y el neutrón de los núcleos atómicos) adquieren su masa por otro mecanismo. La masa de un átomo es un poco más pequeña que la suma de las masas del núcleo y de los electrones. La razón es que la energía que los une es negativa (llamada defecto de masa). En el caso del protón ocurre lo contrario: la energía que une los quarks es positiva, con lo que la masa del protón es mayor que la suma de las masas de los quarks (que se podría llamar exceso de masa). De hecho, esa energía es mucho mayor que las masas de los quarks, así que la mayor parte de la masa del protón es, en realidad, energía. Sólo una pequeña parte viene dada por las masas de los quarks. Y como la mayor parte de la masa de los átomos está en los protones y neutrones de su núcleo, resulta que casi toda la masa de la materia que nos rodea tiene su origen en la interacción fuerte entre quarks y gluones en lugar de en el Higgs.

BEGOÑA: «¿Y cuántos quarks hay dentro de un protón o un neutrón?»

FRANCIS: Los protones y los neutrones están formados por tres quarks unidos por gluones. Estos quarks se llaman quarks de valencia. Nuestros oyentes recordarán que las propiedades químicas de los átomos dependen de sus electrones más externos, llamados electrones de valencia; los electrones más cercanos al núcleo no influyen. Pues en los protones y neutrones pasa algo parecido: vistos desde fuera, muchas de sus propiedades se pueden entender como si estuvieran formados sólo por tres quarks. Sin embargo, cuando estudiamos su interior vemos que, en realidad, los quarks de valencia están “nadando” en un mar de gluones y de otros quarks, que desde fuera están “ocultos” y no influyen.

BEGOÑA: «¿Y hay partículas que están formadas por dos, cuatro o incluso más quarks?»

FRANCIS: Se sabe desde hace mucho tiempo que hay partículas compuestas formadas por dos quarks, llamadas mesones. Se observaron por primera vez en los rayos cósmicos en 1947, pero desde entonces se han observado muchas más. El LHC, por ejemplo, ha descubierto una veintena de nuevos mesones. La idea que podrían existir partículas compuestas de más quarks (de valencia) que un protón surgió en la década de los 1960, pero no fue tomada en serio hasta 1976. A este tipo de partículas se les llama de forma genérica tetraquarks cuando tienen cuatro quarks de valencia y pentaquarks cuando tienen cinco, y durante décadas no se sabía si existían.

Los primeros indicios de tetraquarks aparecieron en los años 2000 gracias a otros aceleradores especializados en mesones pesados, como Belle (Japón) y BaBar (EE.UU.). Estos colisionadores ofrecieron los primeros indicios del tetraquark X(3872) en 2003, y esta partícula fue confirmada en el año 2012 en los experimentos del LHC, lo cual fue un gran éxito, la culminación de una búsqueda muy larga. Pocos años después, en 2015, también se descubrieron los primeros pentaquarks, Pc+(4380) y Pc+(4450). Desde entonces se han descubierto unas 25 de estas partículas multiquark.

BEGOÑA: «¿Cuál es la última partícula que se ha descubierto en el CERN, ésta que nos ha dicho Alberto que se anunció hace poco?»

FRANCIS: Pues es una partícula fascinante. Por primera vez hemos descubierto una partícula formada por gluones de valencia en lugar de quarks de valencia. En general estas partículas se llaman “glubolas” porque son agregados de muchos gluones. Esta glubola contiene tres gluones de valencia y se llama “odderon”, porque en inglés “odd” significa “número impar”. Esta partícula, como los tetraquarks y pentaquarks, fue predicha en la década de 1970, pero no se ha podido observar hasta ahora. El odderon ha sido observado por un detector pequeño del LHC llamado TOTEM que estudia las colisiones elásticas de protones, en las que los protones se rozan y continúan su trayectoria pero con cierto ángulo de desviación. En esos roces entre protones se pueden intercambiar gluones, que en algunos casos se comportan como partículas, es decir, como glubolas.

BEGOÑA: «Por lo que veo el LHC ha descubierto 61 nuevas partículas en 10 años, todo un éxito. ¿Qué nos depara el futuro?»

FRANCIS: El año próximo se iniciará la tercera ronda de colisiones en el LHC, el llamado LHC Run 3, que acumulará más del doble de colisiones protón-protón de las ya acumuladas hasta ahora. Se han mejorado todos los detectores, incluido LHCb, lo que permitirá descubrir muchas nuevas partículas compuestas de quarks y gluones. Pero lo que todos esperamos es el descubrimiento de nuevas partículas elementales y eso es absolutamente impredecible. Quién sabe lo que nos depara la Naturaleza.

¡Qué disfrutes del podcast!



5 Comentarios

  1. Teniendo en cuenta que se han descubierto tetraquarks, pentaquarks, y tal vez más, pregunto ¿Existe un límite teórico a la cantidad de quarks que pueda tener una partícula? ¿Podría el LHC descubrir ilimitadamente este tipo de partículas, a 13 TeV como límite?

  2. Maravilloso programa.

    Todo esto debería ser escuchado por esas personas (como Hossenfelder) que pregonan que el LHC ha sido un «fracaso» y que la física de partículas está «estancada» porque «únicamente» se ha descubierto hasta este momento un Higgs mínimo. Personas se pierden (o no pueden entender) la gran aventura de la física de presición del modelo estándar.

    Gracias por traernos tan alta divulgación, Francis.
    Es un placer leerle.

  3. Estoy de acuerdo con Ramiro, solo un estúpido o alguien que no entiende como funciona la ciencia podría definir el trabajo realizado por el LHC como «un fracaso». Que duda cabe que hubiera sido mejor haber detectado SUSY, Higgs compuestos, partículas de Kaluza-Klein, dimensiones ocultas o incluso microagujeros negros en el LHC pero es evidente que al Universo le importa un pimiento nuestro «ego» o nuestros deseos de grandeza. El LHC ha cumplido de forma brillante su cometido. Por otro lado creo que muy pocos físicos dudan que el Universo contiene fenómenos fascinantes más allá del SM y existen decenas de experimentos en curso para tratar de detectarlos de forma directa o indirecta (ondas gravitacionales, estudio del CMB, neutrinos, materia oscura, desintegración del protón, aceleradores de partículas, experimentos de precisión, medidas cosmológicas…). En el lado teórico también hay avances como los fascinantes trabajos sobre la paradoja de la información en agujeros negros… Hay incluso intentos para tratar de comprobar/refutar la teoría de cuerdas (si las conjeturas Swampland son correctas) con los datos de los experimentos Euclid, Vera Rubin y la red de antenas SKA previstas para 2022/2027: https://arxiv.org/abs/2101.02942
    En resumen: la física fundamental sigue su imparable avance para descubrir las leyes más profundas del Universo, nunca los retos fueron tan grandes pero nunca fue mayor la posible recompensa. Sea lo que sea que descubramos ¿alguien puede dudar que la tarea no es una de las más emocionantes y trascendentes a las que puede aspirar el ser humano?

  4. Totalmente de acuerdo con Ramiro y planck… excepto que yo no creo que Sabine tenga un pelo de tonta. Me da que simplemente es deshonesta y/o que ser acólita del Lado Oscuro Rebelde Sin Causa le resulta más redituable.

    Y por «deshonesta» quiero decir que muy probablemente lo es consigo misma en primer lugar sin ser consciente de ello. Como no puede contribuir con algo positivo contribuye con palos, la crítica fácil (a lo sumo «verdades a medias» con tufillo demagógico) que no propone alternativas (alternativas viables, se entiende, no las idas de olla que ya de entrada discrepan pero mal con los datos observacionales).

    Muchas gracias, Francis, por todo, por seguir al pie del cañón en múltiples frentes prodigando un estilo de divulgación que es la lucidez encarnada, blanca y en botella 🙂

    Un saludo a todos los Muleros 😉

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