Quarks

En física de partículas, los quarks, junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones.

Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Los quarks son partículas parecidas a los gluones en peso y tamaño, esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones. Forman, junto a los leptones, la materia visible.

Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:

up (arriba) down (abajo) charm (encanto) strange (extraño) top (cima) y bottom (fondo).

Fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fácil de recordar y usar, además de los correspondientes antiquarks. Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo sí se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica.

En la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados hadrones, de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento del color. En el año 2003 se encontró evidencia experimental de una nueva asociación de cinco quarks, los pentaquark1 aunque su existencia aún es controvertida.

a noción de quark teórica nace del intento de clasificar a los hadrones, ahora explicados gracias al modelo de quarks. Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima realizaron esa clasificación de manera independiente en 1964.

Los quarks son la conclusión de los intentos para encontrar los fundamentos de la construcción de la materia. Con el triunfo de la teoría atómica en el siglo XIX se concluía que los átomos eran los componentes últimos de la materia y de ahí su nombre por ser indivisibles. Con el modelo atómico de Rutherford se demostró que el átomo no era indivisible, constaba de un núcleo y de una nube electrónica. El núcleo atómico se demostró posteriormente que estaba conformado de protones y neutrones. Con sólo cinco partículas elementales, fuera de los protones, neutrones y electrones, en la década de 1930 comenzaron a aparecer los muones de alta radiación y algunos neutrinos de forma indirecta. La confirmación de más mesones y bariones, primero en experimentos con alta radiación y luego en aceleradores de partículas, dieron la impresión de que nos enfrentábamos a un zoológico de partículas y fueron el impulso para buscar cada vez más partículas elementales.

El esquema usado por Gell-Mann para unir a las partículas era mediante su isospín y su extrañeza. Utilizó una unidad simétrica derivada del álgebra actual, que se la conoce como una aproximación de la simetría quiral de la cromodinámica cuántica (QCD). Esta es una simetría global de sabor SU(3) que no debe confundirse con la simetría gaugeana de la cromodinámica cuántica. En este esquema, los mesones ligeros (de espín 0) y los bariones (espín -1/2) estaban agrupados juntos en octetos de simetría de sabor. Una clasificación de los bariones de espín -3/2 en una representación 10 arrojó la predicción de una nueva partícula, la Ω-. Su descubrimiento en 1964 llevó a la aceptación de este modelo. La representación 3 que faltaba fue identificada como los quarks.

El esquema fue llamado por Gell-Mann como de ocho maneras (eightfold way en inglés), una inteligente asociación de los octetos del modelo con los ocho caminos o maneras del budismo.

Descubrimiento experimental

A mediados de la década de 1960 había un cierto consenso en que el protón poseía un tamaño aproximado de 10–15 m con una distribución suave de carga en su interior. Los análisis de ciertas propiedades de reacciones de altas energías de hadrones llevó a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones, a los que él llamo partones (porque eran parte de los hadrones).4

La serie de experimentos en el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) entre 1967 y 1973 tenían como objetivo estudiar la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón.5Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Rutherford años atrás para confirmar la existencia del núcleo atómico. El SLAC es un acelerador de partículas lineal donde partículas como los electrones pueden alcanzar energías de hasta 50 GeV, lo suficiente para que estos puedan traspasar nucleones.

El análisis teórico de las colisiones inelásticas que tuvieran lugar entre el electrón y el protón lo había trabajado James Bjorken. Este consideró varias hipótesis para explicar la función de forma de la dispersión. De todas ellas, la más especulativa era considerar al protón compuesto por partículas puntuales cargadas y con espín 1 / 2. Al analizar los datos para diferentes cantidades de momento transferidos al protón, se comprobó que el ajuste de Bjorken con tal hipótesis era el adecuado.5 Se habían descubierto los quarks de manera experimental lo que permitió obtener el premio Nobel de Física de 1990 a Taylor, Kendall y Friedmann, líderes de los experimentos en el SLAC.

Más adelante, otros experimentos de colisiones inelásticas con neutrinos hechas en el CERN sirvieron para confirmar los resultados del SLAC. Se confirmó que los partones de Feynmann y los quarks eran exactamente la misma cosa. Con la prueba de la libertad asintótica en la cromodinámica cuántica que realizaron en 1973 David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, la conexión se hizo estable. A estos científicos se les concedió el premio Nobel de Física en el 2004 por este trabajo. Kendall dijo sobre el hallazgo:

...el descubrimiento específico fue un descubrimiento. No sabíamos si estaría ahí, y tampoco nadie en este mundo - ni la gente que inventó el quark ni toda la comunidad teórica. Nadie podía decir especifica y unívocamente: hey amigos vayan por el quark. Esperamos que esté en los nucleones.5

Diferentes sabores

Al principio se creía que sólo existían el quark arriba, abajo y extraño. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maianicon postularon la existencia del quark encantado para impedir cambios no físicos de sabor en las desintegraciones débiles que podrían aparecer en el modelo estándar. El descubrimiento del mesón J/ψ en 1974 llevó al reconocimiento de que éste estaba hecho de un quark encantado y su antiquark.6

Luego, se planteó la hipótesis del quinto y sexto quark, llamados quark cima y fondo. La existencia de una tercera generación de quarks fue predicha por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawaen 1973, ellos se dieron cuenta que la violación de la simetría CP por kaones neutros no podría acomodarse en el modelo estándar con las dos generaciones hasta ese momento existentes de quarks. El quark fondo fue descubierto en 1977 y el quark cima en 1996.7

Significado de quark

La palabra fue originalmente designada por Murray Gell-Mann como una palabra sin sentido que rimaba con pork,8 pero sin ortografía.9 Después, él encontró la palabra «quark» en un libro de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahí se usó su ortografía:

Three quarks for Muster Mark!Sure he has not got much of a barkAnd sure any he has it's all beside the mark.Del libro Finnegans Wake de James Joyce

Generación

Los físicos han ido separando a las partículas que, primero teóricas, han ido hallando experimentalmente en los aceleradores de partículas. Las dividieron en generaciones de dos leptones y dos quarks. Entre ellos varía la masa que va aumentando de acuerdo al número de la generación, siendo la tercera la más pesada hasta el momento. El modelo estándar predice las tres generaciones de quarks y leptones que conocemos pero no podría descartarse del todo la posibilidad de una cuarta generación.

En el caso de los quarks tenemos como primera generación a los quarks arriba y abajo; los de segunda son los quarks encantado y extraño; y los de tercera generación son los quarks fondo ycima.

Propiedades

Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza sino que se agrupan formando hadrones. Éstos se dividen en dos tipos:

Mesones: formados por un quark y un antiquark (piones, kaones,...) Bariones: formados por tres quarks (protones, neutrones,...)

Existen 6 tipos de quarks, cada uno con su sabor, su carga, su isospín débil y su masa (entre las propiedades más importantes). Una lista de estas propiedades para cada quark sería:11 12

Nombre

Símbolo

Generación

Isospín débil

Sabor

Carga

Masa

arriba (up)

u 1+½

Iz=+½

+⅔

1,5 – 4,0

abajo (down)

d 1 -½

Iz=-½

-⅓

4 – 8

extr s 2 -½ S - 80

año (strange)

=-1

⅓– 130

encantado (charm)

c 2+½

C=1

+⅔

1150 – 1350

fondo (bottom)

b 3 -½B'=-1

-⅓

4100 – 4400

cima (top)

t 3+½

T=1

+⅔

170900 ± 1800

Junto a los leptones, los quarks forman prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. En concreto la constituyen los dos primeros quarks ya que forman los protones y neutrones que a su vez forman los núcleos atómicos.

Carga

La carga -⅓ o +⅔ de la carga elemental. Por esto siempre las partículas compuestas (bariones y mesones) tienen una carga entera. Experimentalmente (por ejemplo en el experimento de la gota de aceite de Millikan) no hay información de cargas fraccionarias de partículas aisladas. La tercera parte de la carga en los hadrones es debido a la presencia de los quarks. Actualmente se desconoce por qué la suma de las cargas de los quarks en un protón se corresponde exactamente a la del electrón, un leptón, con signo opuesto.

Masa

Aunque si bien se habla de la masa de los quarks en el mismo sentido que la masa de cualquier otra partícula, la noción de masa para un quark es complicada por el hecho que los quarks no pueden encontrarse solos en la naturaleza, siempre se encuentran acompañados de un gluón, por lo general. Como resultado, la noción de la masa de un quark es una construcción teórica que tiene sentido sólo cuando se especifica exactamente que se usará para definirla.

La simetría quiral aproximada de la cromodinámica cuántica, por ejemplo, permite definir la razón entre varias masas de quarks a través de combinaciones de las masas de los octetos pseudoescalares de los mesones en el modelo de quarks por la teoría de perturbación quiral, tenemos:

El hecho de que el quark arriba tenga masa es importante porque había un problema con la violación CP si éstos no tenían masa. Los valores absolutos de las masas son determinados por las reglas de suma de funciones espectrales (o también las reglas de suma de la cromodinámica cuántica).

Otro método para especificar las masas de los quarks fue usada por Gell-Mann y Nishijima en el modelo de quarks que conectaba la masa del hadrón con la masa de los quarks. Estas masas, llamadas masas constituyentes de quarks, son considerablemente diferentes de las masas definidas anteriormente. Las masas constituyentes no tienen ningún significado dinámico posterior.

Por otro lado, las masas de los quarks más masivos, el encantado y el fondo, se obtuvieron de las masas de los hadrones que contenían un quark pesado (y un antiquark ligero o dos quarks ligeros) y del análisis de quarkonios. Los cálculos del enrejado de la cromodinámica cuántica usando una teoría efectiva de quarks pesados o cronodinámica cuántica no relativista son usadas actualmente para determinar la masa de esos quarks.

El quark cima es lo suficientemente pesado que la perturbación de la QCD puede ser usada para determinar su masa. Antes de su descubrimiento en 1995, la mejor teoría estimaba que la masa del quark cima podía obtenerse del análisis global de test de precisión del modelo estándar. El quark cima, sin embargo, tiene la única cantidad de quarks que se desintegran antes de hadronizarse. Entonces, la masa puede ser directamente medida de los productos desintegrados resultantes. Estos sólo pueden ser hechos en el Tevatrón que es el único acelerador de partículas con la suficiente energía para producir quarks cima en abundancia.

Isospín débil

El valor de esta propiedad para los quarks es de 1/2, y su signo depende de qué tipo de quark es. Para los quarks tipo u (u, c y t) es de +1/2, mientras que para los otros, llamados quarks tipo d (d, s, b), es de -1/2. De acuerdo con el isospín débil, un quark tipo u deberá desintegrarse para obtener un quark tipo d y viceversa. No se admiten desintegraciones entre quarks del mismo tipo. Las partículas que permiten estos cambios de carga del isospín débil son los bosones W y Z.

Sabor

Debido a la interacción débil todos los fermiones, y en este caso los quarks, pueden cambiar de tipo; a este cambio se le denomina sabor.13 Los bosones W y Z son los que permiten el cambio de sabor en los quarks, estos bosones son los causantes de la interacción débil. Cada quark tiene un sabor diferente que interactuará con los bosones de una manera única.

El sabor de los quarks arriba y abajo es el isospín débil, antes mencionado. El quark extraño, tendrá un número cuántico o sabor, homónimo, llamado extrañeza y tiene el valor de -1. Para el quark encantado es encantado y tiene el valor de 1; y así sucesivamente con los otros dos como se puede ver en la tabla anterior.

Carga de color

Los quarks al ser fermiones deben seguir el principio de exclusión de Pauli. Este principio implica que los tres quarks en un barión deben estar en una combinación antisimétrica. Sin embargo la cargaQ=2 del barión Δ++ (que es un cuarto del isospín Iz  =  3/2 de los bariones) puede ser realizado sólo por quarks con espín paralelo. Esta configuración es simétrica bajo intercambio

de quarks, esto implica que existe otro número cuántico interno para que pueda hacerse esa combinación antisimétrica. A esta propiedad, o número cuántico, se le denominó color. El color no tiene nada que ver con la percepción de la frecuencia de la luz, por el contrario, el color es la carga envuelta en la teoría de gauge, más conocida como cromodinámica cuántica.

El color es una simetría de gauge SU(3). Los quarks están localizados en la representación fundamental 3 y por lo tanto tienen tres colores, análogo con los tres colores fundamentales rojo, verde y azul, de ahí viene su nombre. Es por eso que se suele decir que existen 18 tipos de quarks, 6 con sabor y cada uno con 3 colores.

Subestructura

Nuevas extensiones del modelo estándar de física de partículas indican que los quarks podrían estar compuestos de subestructuras. Esto asume que las partículas elementales del modelo estándar de física de partículas son partículas compuestas; estas hipótesis están siendo evaluadas, aunque actualmente no se ha descubierto tal estructura. Las llamadas subestructuras de los quarks se denominan preones.

Antiquark

El antiquark es la antipartícula que corresponde a un quark. El número de tipos de quarks y antiquarks en la materia es el mismo. Se representan con los mismos símbolos que aquellos, pero con una barra encima de la letra correspondiente, por ejemplo, si un quark se representa  , un antiquark se escribe  .

Electrización

En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro.

Electrización por contacto

Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.

Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

Al frotar dos cuerpos electricamente neutros, el numero de electrones será igual al numero de protones.

Electrización por frotamiento

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño al lápiz. Ej : Un globo lo frotas en tu cabeza y luego lo pones cerca de la cabeza de una persona, veras que su cabello se levanta.

El vidrio adquiere una carga electrica positiva al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de

cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico.

Carga por el Efecto Fotoeléctrico

Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

Carga por Electrólisis

La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.

Carga por efecto termoeléctrico

Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Gluon

El gluon (de la voz inglesa glue 'pegamento', derivada a su vez del latín glūten a través del

francés gluer 'pegar') es el bosón portador de la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro

fuerzas fundamentales. No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color, por lo que

además de transmitir la interacción fuerte también la sufre.

La teoría que postula la existencia de los gluones y describe su dinámica se llama cromodinámica

cuántica. El nombre hace alusión a "pegamento" (glue), estas partículas [editar]Propiedades

Al igual que el fotón, el gluon es un bosón sin masa, con spin 1. Como los quarks, los gluones

tienen carga de color, que depende del cambio de color de los quarks. Los quarks cambian de

color cuando se intercambian gluones, de tal forma que la carga de color total del sistema formado

por el quark y el gluon, antes y después de la emisión o absorción es la misma.

Por ejemplo, si un quark rojo se vuelve azul al emitir un gluon, entonces es porque emite un gluon

rojo-antiazul (la parte roja del gluon es el rojo que pierde el quark, y el antiazul es para anular el

azul que el quark gana). El sistema tiene carga de color neta roja.

Existen asimismo 8 tipos de gluones, siendo cada uno de ellos una combinación color-anticolor.

Los quarks y los gluones forman partículas compuestas con carga de color total neutra (se suele

decir que las partículas compuestas son blancas).

[editar]La masa de los hadrones

Los gluones forman también parte de los hadrones, y la energía del campo de color que crean es la

responsable de la mayoría de la masa del mismo (E = mc2). En el caso del protón se puede ver que:

Por lo que gran parte de la masa del protón es atribuible a la energía del campo de color.

Comportamiento de los gluones

Confinamiento de los quarks

Al sufrir ellos mismos su propia interacción, los gluones que unen los quarks crean un campo de

Yang-Mills de color que impide que los quarks se separen con una fuerza inmensa, para pequeñas

distancias parece que el campo decae en intensidad pero para distancias del orden del tamaño de

un nucleón la fuerza es mucho mayor que las fuerzas electrostáticas de repulsión entre gluones. La

formación de estas ligaduras por parte de los gluones limita el campo de acción de esta interacción

a un orden de 10-15 metros (más o menos el tamaño de un núcleo atómico).

Al contrario que la fuerza eléctrica o la gravitatoria, si se intenta separar entre sí un par de quarks,

el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es como si los quarks estuvieran unidos por

un "muelle gluónico", que intenta volver a su longitud inicial. Debido a esto, los quarks y los gluones

son partículas muy difíciles de detectar y sólo podemos ver las partículas que ellos forman,

los hadrones.

Cuando se separan tanto dos quarks unidos mediante este muelle, se acumula tanta energía en el

sistema que es más fácil para el mismo crear nuevos quarks para devolver el campo de color a un

estado menos energético. Esto es resultado de convertir parte de la energía del campo de color en

nueva materia (E = mc2).

Interacción nuclear fuerte residual

A pesar de que los hadrones tienen carga de color neutra, los quarks de distintos hadrones pueden

atraerse con mucha fuerza, en el caso de los nucleones incluso mayor que la electromagnética. A

esta fuerza de naturaleza fuerte entre distintos hadrones se le llama residual, y es la responsable

de que el núcleo atómico sea estable a pesar de la gran cantidad de cargas positivas que posee.

Esta fuerza residual puede describirse de manera aproximada mediante un campo de Yukawa que

representa una interacción mediada por piones que son partículas masivas lo cual explicaría que la

fuerza nuclear decae mucho más rápido que la ley de la inversa del cuadrado siendo la intensidad

de esta fuerza virtualmente nula fuera del núcleo atómico.

Campo gluónico

La descripción matemática de la interacción de los gluones entre sí y con los quarks es descrita por

la cromodinámica cuántica. En ese contexto los gluones son descritos como un campo gluónico

que es un campo de Yang-Mills asociado a una simetría de gauge del tipo SU(3).

El lagrangiano que describe la interacción de los gluones entre sí y con los quarks viene dado por:

Donde la intensidad del campo gluónico viene dada por el tensor antisimétrico o 2-forma  ,

mientras que la distribución espacial de los quarks viene dada por el espinor multicomponente  .

Bosones W y Z

Los bosones W y Z son las partículas mediadoras de la interacción nuclear débil, una de las

cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son tres tipos de partículas fundamentales

muy masivas que se encargan en general de cambiar el sabor de otras partículas, los leptones y

los quarks.

Fueron descubiertas en el CERN, en 1983; aunque su existencia y características generales

habían sido predichas mucho antes. El bosón W recibe ése nombre de la palabra inglesa 'weak',

por la interacción débil a la que caracteriza. El bosón Z puede haber recibido ése nombre por ser el

último de los tres en descubrirse, o tal vez por tener carga eléctrica 'zero'. En español también se

suelen conocer como 'bosones intermedios'.

Propiedades

Existen dos tipos de bosones W: uno con carga eléctrica positiva igual a la carga elemental y el

otro con la misma carga pero negativa. Se simbolizan W+ y W− y ambos son respectivamente

antipartículas del otro. El bosón Z es eléctricamente neutro, y es su propia antipartícula.

Los tres tipos de bosones son muy masivos para ser partículas elementales. Los bosones W tienen

una masa de 80.4 GeV/c2,1 y el bosón Z de 91.2 GeV/c2. Son más masivos que

los núcleos de hierro, lo que explica perfectamente que las distancias a las que ésta interacción

actúa sean tan pequeñas, del orden de 10-18 m.

Los tres bosones tienen un spin de 1, y una vida media muy corta del orden de 10-25 segundos.

W y Z en la interacción débil

Cuando un leptón o un quark parece convertirse en uno más ligero (se desintegra o decae), se dice

que cambian de sabor. Todos los procesos de cambio de sabor se deben a la interacción débil, y

en todas ellas interviene uno de los tres tipos de bosones intermedios.

Uno de los procesos más importantes en los que intervienen los bosones W es la desintegración

beta, en la que un neutrón se 'convierte' en un protón:

Como podemos observar, el neutrón se convierte en un protón y emite además un electrón y

un electrón-antineutrino. Pero el neutrón no es una partícula elemental, está hecho de

2 quarks abajo y un quark arriba (y además de gluones), y se convierte en protón porque uno

de los quarks abajo cambia su sabor a arriba.

Pero el quark abajo no es el que emite el electrón y el neutrino. De hecho, el quark

abajo solo se convierte en el quark arriba y en un bosón W negativo (para conservar la

carga eléctrica del sistema). Es el bosón W el que casi instantáneamente después

decae en los dos leptones.

En el caso de la emisión de positrones, el bosón intermedio implicado es el

positivo; se trata de la conversión de un protón en neutrón, positrón y electrón-

neutrino.

Viendo los casos anteriores, el bosón Z debería intervenir en los procesos que no

implican cambio en la carga eléctrica de la partícula afectada (pero sí cambio de

sabor), pero no es el caso. Éste bosón solo actúa como partícula

portadorade momento lineal: cuando dos partículas se intercambian un bosón Z

una le está pasando momento a la otra. Éste intercambio se llama interacción de

corriente neutra, ninguna de las partículas afectadas cambia de sabor y su estudio

requiere el uso de los aceleradores de partículas más energéticos del mundo.

Bosones W y Z virtuales

Siguiendo con el ejemplo anterior, vemos que el quark abajo se convierte en un

quark arriba y en un bosón W. Esto viola claramente la ley de conservación de la

masa-energía, ya que parece imposible que haya tanta energía en el sistema

como para que un ligerísimo quark genere de pronto un bosón W que tiene más de

20.000 veces su masa original. Pero el bosón W existe sólo durante unos 10-

25 segundos; debido al principio de indeterminación de Heisenberg, existe durante

un tiempo tan breve, que no se podrá nunca medir su cantidad de

movimiento (función de la masa) y posición con total exactitud.

Sólo hay que tener en cuenta que la masa-energía al final y al principio son

equivalentes, y que en medio hubo una asimetría de masa-energía tan breve que

es como si la realidad ni se diera cuenta de ella. Las partículas que hacen ése tipo

de cosas se llaman partículas virtuales, y se dan también en las otras fuerzas

fundamentales, pero la masa de los bosones W y Z hace que ésta idea cobre

mayor relevancia.

Predicción de su existencia

Debido al gran éxito de la electrodinámica cuántica para el caso de la interacción

electromagnética en los años 50, los científicos intentaron desarrollar una teoría

similar para la interacción débil. La teoría culminó con la aparición de la teoría que

unifica el electromagnetismo con la interacción débil: la teoría electrodébil. Por su

trabajo en la teoría electrodébil; Sheldon Glashow, Steven Weinberg, y Abdus

Salam recibieron el premio Nobel de física.

La teoría electrodébil postuló entonces la existencia de los bosones W para

explicar la desintegración beta, y también postuló la existencia del bosón Z y de la

transferencia de momento por parte del mismo. El mayor problema que tuvo la

teoría fue que los portadores tuvieran masa, al contrario que los demás que no la

tienen. Una explicación, el mecanismo de Higgs, rompe la simetría de la

teoría SU(2) (cuaternios reales) de gauge para dar masa a los bosones W y Z; y

además predice la existencia del bosón de Higgs, causante de la masa de todas

las partículas.

La combinación de dicha teoría de gauge, la interacción electromagnética y el

mecanismo de Higgs recibe el nombre de modelo de Glashow-Weinberg-Salam.

En el 2006, todo lo que este modelo describe está probado experimentalmente

excepto la existencia del bosón de Higgs.

Cálculo de masas mediante el mecanismo de Higgs

En esta sección se ilustra el mecanismo de Higgs que conduce a que los bosones

vectoriales Z0 y W+- adquieran una masa efectiva. En esencia, se conjetura que

tras los bosones Z0 y W+- inicialmente habría partículas sin masa descritas por los

campos y. Pero como estos campos intereaccionan de una manera compleja con

el bosón de Higgs acaban comportándose como partículas másicas, por lo que en

situaciones donde el bosón de Higgs no sea observable cabe esperar que la

interacción débil se manifieste mediante bosones vectoriales sin masa sino como

partículas másicas, tal como se ha observado.

Descubrimiento de los bosones

Su descubrimiento fue uno se sus mayores logros del CERN. Primero, el laboratorio descubrió

muchos de los efectos que se previeron para éstos bosones; y después, en 1983, descubrió a las

propias partículas.

Desde principios del siglo XX se conoce la desintegración beta, uno de los efectos más importantes

de la interacción débil mediada por los bosones W. Se tuvo que esperar hasta 1973 para que

la cámara de burbujas Gargamelle observara los efectos de la interacción de corriente neutra por

parte de bosones Z, ya prevista por la reciente teoría electrodébil. Se fotografió como unos cuantos

electrones comenzaron de pronto a moverse sin más. Éste hecho insólito se interpretó como el

intercambio de un bosón Z por parte de una partícula no observada, un neutrino.

El descubrimiento propiamente dicho de los bosones tuvo que esperar 10 años, hasta la

construcción del Super Proton Synchrotron. Entonces, se pudo demostrar la existencia de los

bosones W y Z durante una serie de experimentos dirigidos por Carlo Rubbia y Simon van der

Meer (los experimentos UA1 y UA2). Ambos científicos recibieron el premio Nobel de física

en 1984 por su descubrimiento.