LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Y EL MODELO ESTÁNDAR

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INTRODUCCIÓN

Hasta 1932 sólo se conocían tres partículas subatómicas, el electrón, el protón y el neutrón, que se consideraban elementales. Algunos años antes, Pauli había pronosticado la existencia del neutrino con el fin de explicar los cambios energéticos en ciertas desintegraciones radiactivas y en determinados procesos nucleares. Sin embargo, aún no se disponía de pruebas reales de su existencia. Los aceleradores de partículas comenzaron a desempeñar un papel crucial acumulando datos cada vez más precisos que configuraban un catálogo de centenares de partículas. A comienzos de la década de los sesenta se hizo evidente la necesidad de elaborar un modelo teórico que explicara todas las características de ese enjambre de partículas y presentara una clasificación lógica y útil de todas ellas.

El modelo estándar es la teoría física que resume los conocimientos actuales sobre las partículas elementales y las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Utiliza los supuestos de la mecánica cuántica relativista, y considera que la materia está formada por partículas denominadas fermiones, mientras que las fuerzas corresponden al intercambio de otras partículas llamadas bosones. Los fermiones elementales se agrupan en tres familias, cada una de ellas compuesta por determinados quarks y leptones.

ACELERADORES DE PARTÍCULAS

La investigación de la estructura atómica con más detalle no habría sido posible sin el desarrollo tecnológico que permite concentrar las enormes cantidades de energía requeridas en el estudio del mundo subatómico. El avance teórico viene ligado al perfeccionamiento de los aceleradores y detectores de partículas.

Para estudiar las partículas fundamentales que componen el núcleo se emplean aparatos con energías superiores a un Gigaelectrón-voltio (GeV). Los aceleradores son enormes instalaciones de varios kilómetros que permiten generar violentas colisiones entre partículas. Son los instrumentos de mayor tamaño y más costosos utilizados en Física. Todos tienen los mismos componentes básicos: una fuente de partículas elementales o iones, un tubo donde existe un vacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente y un sistema para aumentar su velocidad.

En un principio, las partículas cargadas se aceleraban mediante un campo electrostático. Por ejemplo, situando electrodos con una gran diferencia de potencial en los extremos de un tubo de vacío, los británicos Cockcroft y Walton consiguieron acelerar protones hasta 250.000 eV (0,25 MeV). A principios de los años ‘30 Van de Graaff diseñó un acelerador primitivo basado en dicho fenómeno. Este tipo de aceleradores puede alcanzar energías de 15 MeV.

El acelerador lineal, también llamado “linac” al utilizar las primeras letras de su nombre en inglés, emplea tensiones alternas elevadas para impulsar partículas a lo largo de una línea recta, sincronizadas de forma que la partícula sea impulsada hacia adelante cada vez que pasa por un hueco entre dos tubos metálicos, que se encuentran dentro de un cilindro en el que se ha hecho el vacío. El más grande del mundo se halla en la Universidad de Stanford (California, Estados Unidos), de 3,2 km de longitud, que acelera electrones hasta una energía de 50 GeV. En teoría, pueden construirse aceleradores lineales de cualquier energía, lo que sucede es que conforme los experimentos demandan más energía se hace necesario incrementar el recorrido de las partículas aceleradas y eso acarrea graves problemas en su construcción.

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