Antonio Ferrer Soria - La aventura de la física de partículas

LA AVENTURA

DE LA

FÍSICA DE PARTÍCULAS

UN VIAJE DE UN SIGLO

PARA CONSTRUIR EL MODELO ESTÁNDAR

Antonio Ferrer Soria, Eduardo Ros Martínez

LA AVENTURA

DE LA

FÍSICA DE PARTÍCULAS

Un viaje de un siglo

para construir el modelo estándar

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA

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© Del texto: Antonio Ferrer Soria y Eduardo Ros Martínez, 2019

© De esta edición: Universitat de València, 2019

Producción editorial: Maite Simón

Diseño y maquetación: Celso Hernández de la Figuera Corrección:

Iván García Esteve

Diseño de la cubierta: Celso Hernández de la Figuera y Maite Simón

Imagen de la cubierta: colisionador LEP del CERN

ISBN: 978-84-9134-531-2

Índice

Introducción Introducción Los avances realizados por la física en el siglo XX han revolucionado el conocimiento científico. Los progresos fueron enormes. En el primer tercio del siglo se fundamentó la teoría atómica de la materia gracias al desarrollo de la mecánica cuántica, y se mejoró la teoría de la gravitación de Newton gracias a las aportaciones de A. Einstein y su teoría de la relatividad general. En la segunda mitad del siglo se profundizó hasta límites insospechados en el conocimiento de los constituyentes elementales de la materia, gracias al desarrollo de los aceleradores de partículas, que en tan solo cincuenta años multiplicaron la energía de los haces en más de un millón de veces. En el campo de las aplicaciones, la física ha dado lugar a notables descubrimientos que han aportado un mayor bienestar a la sociedad. Por ejemplo, la utilización pacífica de la fisión nuclear para producir electricidad masivamente, hasta el punto de generar más del 20 % de toda la energía eléctrica mundial a finales del siglo XX. Por otra parte, es posible que la fusión nuclear acabe siendo la solución final a la generación masiva de energía eléctrica, reduciendo considerablemente las emisiones nocivas de CO 2 a la atmósfera, causadas por la quema de combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. Otros ejemplos son las valiosas contribuciones a la física médica o la invención de la World Wide Web, que conectó al mundo. Este breve glosario tiene por objetivo introducir al lector en el mundo de lo infinitamente pequeño, utilizando para ello la descripción de los grandes descubrimientos realizados en los últimos cien años y accediendo a toda una serie de conceptos que inundan la literatura científica. Todos esos conceptos, como el fotón, el electrón o los quarks, son explicados a la luz de las ideas y de los experimentos que los descubrieron, identificando en cada caso el premio Nobel de Física que fue laureado por dicho descubrimiento. El viaje culmina en 2012, cuando se identificó el bosón de Higgs en los experimentos del LHC del CERN, en Ginebra. Este suceso puede calificarse de gesta histórica, pues se tardó casi cincuenta años en descubrirlo después de su predicción teórica. Esperamos que el lector disfrute al leer estas páginas, de la misma manera que nosotros hemos disfrutado al escribirlas.

1. Las partículas elementales

1. Familias de partículas

2. Interacciones

3. Aceleradores

4. Detectores

2. Electrones y positrones

1. J. J. Thomson y el electrón

2. Los rayos catódicos

3. Dirac y el positrón

4. La antimateria

3. El fotón y la teoría QED

1. Los rayos gamma

2. El efecto fotoeléctrico

3. El efecto Compton

4. QED

4. Los quarks ligeros

1. Partículas subnucleares

2. La interacción fuerte

3. Los hadrones

4. La hipótesis de los quarks

5. Los leptones cargados

1. El electrón

2. El muon

3. El leptón tau

4. Los leptones y QED

6. Los neutrinos

1. La hipótesis del neutrino

2. La interacción débil

3. Los tres neutrinos

4. La masa de los neutrinos

7. Los quarks pesados

1. Nuevos aceleradores y detectores

2. El quark c

3. El quark b

4. El quark t

8. El modelo estándar

1. La interacción electrodébil

2. Las corrientes neutras

3. Descubrimiento de W y Z

4. Test del modelo estándar

9. Los gluones y QCD

1. El modelo de partones

2. El color de los quarks

3. La libertad asintótica

4. Jets y gluones

10. El descubrimiento del bosón de Higgs

1. Mecanismo de Higgs y modelo estándar

2. Búsquedas en colisionadores e +e −y p /pp

3. El acelerador y los detectores del LHC

4. Descubrimiento del bosón de Higgs

Epílogo. La orla de premios Nobel del modelo estándar

Créditos de las fotografías

Bibliografía

Introducción

Los avances realizados por la física en el siglo XX han revolucionado el conocimiento científico. Los progresos fueron enormes. En el primer tercio del siglo se fundamentó la teoría atómica de la materia gracias al desarrollo de la mecánica cuántica, y se mejoró la teoría de la gravitación de Newton gracias a las aportaciones de A. Einstein y su teoría de la relatividad general. En la segunda mitad del siglo se profundizó hasta límites insospechados en el conocimiento de los constituyentes elementales de la materia, gracias al desarrollo de los aceleradores de partículas, que en tan solo cincuenta años multiplicaron la energía de los haces en más de un millón de veces.

En el campo de las aplicaciones, la física ha dado lugar a notables descubrimientos que han aportado un mayor bienestar a la sociedad. Por ejemplo, la utilización pacífica de la fisión nuclear para producir electricidad masivamente, hasta el punto de generar más del 20 % de toda la energía eléctrica mundial a finales del siglo XX. Por otra parte, es posible que la fusión nuclear acabe siendo la solución final a la generación masiva de energía eléctrica, reduciendo considerablemente las emisiones nocivas de CO 2a la atmósfera, causadas por la quema de combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. Otros ejemplos son las valiosas contribuciones a la física médica o la invención de la World Wide Web, que conectó al mundo.

Este breve glosario tiene por objetivo introducir al lector en el mundo de lo infinitamente pequeño, utilizando para ello la descripción de los grandes descubrimientos realizados en los últimos cien años y accediendo a toda una serie de conceptos que inundan la literatura científica. Todos esos conceptos, como el fotón, el electrón o los quarks, son explicados a la luz de las ideas y de los experimentos que los descubrieron, identificando en cada caso el premio Nobel de Física que fue laureado por dicho descubrimiento. El viaje culmina en 2012, cuando se identificó el bosón de Higgs en los experimentos del LHC del CERN, en Ginebra. Este suceso puede calificarse de gesta histórica, pues se tardó casi cincuenta años en descubrirlo después de su predicción teórica.