marco antonio moreira - la fisica de los quarks y la epistemologia (2006)

8/6/2019 Marco Antonio Moreira - La Fisica de Los Quarks Y La Epistemologia (2006)

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LA FSICA DE LOS QUARKS Y LA EPISTEMOLOGA1(Quark physics and epistemology)

Marco Antonio MoreiraInstituto de Fsica de la UFRGS

Cdigo Postal 1505191501-970 Porto Alegre, [email protected]

www.if.ufrgs.br/~moreira

Resumen

El objetivo de este trabajo es presentar, conceptualmente, la Fsica de los Quarks comoun asunto accesible y motivador que ilustra, de manera inequvoca, la relacin entre teora yexperimentacin en Fsica. Se cuenta la historia de los quarks y se utiliza esa historia para quesirva de ejemplo de cuestiones epistemolgicas. A lo largo de este trabajo, en ningnmomento se hace uso de imgenes de partculas elementales porque se cree que, en esa reade la Fsica, las imgenes solamente refuerzan obstculos representacionales mentales que, prcticamente, impiden el aprendizaje significativo.Palabras-clave:Fsica de los quarks, epistemologa, enseanza de Fsica.

Abstract

The purpose of this paper is to present, conceptually, the physics of quarks as anaccessible and motivating subject that shows unequivocally the relationship between theoryand experimentation in physics. The quarks' story is told and this story is used to exemplifyepistemological issues. Throughout this narrative images are never used because of theauthor's belief that in this area of physics the use of images may just reinforce mentalrepresentational obstacles that can almost hinder meaningful learning.Keywords: quark physics, epistemology, physics education.

Introduccin

Por lo que sabemos hoy,leptones y quarks son las partculas fundamentales queconstituyen la materia.

Leptones son partculas deespn2

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, sincolor 3

, que pueden tener carga elctrica o no(neutrinos ). El electrn es el leptn ms familiar. Los dems leptones son elmun, el tau ylos tres neutrinos (neutrino del electrn, neutrino del mun y neutrino del tau ). Seran,

1 Publicado en la Revista Brasileira de Ensino de Fsica , 29(2):1-13, 2007.2 Espn es el momentum angular intrnseco de una partcula. El espn de las partculas elementales es siempre unnmero entero (0, 1, 2, 3,...) o medio entero( ),...,, 252321 de (h 2h dondeh 6,6.10-34 J.s es la llamadaconstante de Planck).3

Color es una propiedad de la materia, as como la carga elctrica tambin es una propiedad de la materia. Notiene nada que ver con el significado de color en ptica o en el cotidiano. Algunas partculas tienen esa propiedad, otras no. Los leptones no tienen color, son "blancos".


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entonces, seis los leptones, pero para cada uno de ellos existe unanti-leptn 4, de modo que elnmero total de leptones debe ser igual a doce.

Leptones parecen ser partculas verdaderamente elementales, es decir, aparentementeno tienen estructura interna. Las partculas que tienen estructura interna se llamanhadrones

(viene del griego, dehadros que significa masivo, recio, fuerte). Esa estructura interna estconstituida por quarks . Hay dos tipos de hadrones: losbariones , formados por tres quarks otres antiquarks, y losmesones , formados por un quark y un antiquark. Protones y neutronesson ejemplos de bariones.

As como los leptones, quarks parecen ser partculas verdaderamente elementales. Por eso dijimos, al principio, que la materia est constituida fundamentalmente por leptones yquarks.

Quarks tienen carga elctrica fraccionaria, (+ 2/3)e para algunos tipos y (- 1/3)e paraotros, pero nunca fueron detectados libres, estn siempre confinados en los hadrones.Adems, las combinaciones posibles de quarks y antiquarks para formar hadrones son talesque la carga de la partcula resultante es siempre un mltiple entero de carga elctrica (e) delelectrn. Es decir, el quantum de la carga elctrica contina siendo la carga del electrn (e)aun cuando los quarks tengan carga fraccionaria.

Pero los quarks tienen otras propiedades y una historia muy interesante desde el puntode vista epistemolgico. El objetivo de este trabajo es presentar tales propiedades y contar un poco de esa historia.

Antes de los quarks: muones, mesones y otros hadrones

En el inicio de los aos treinta del siglo pasado, la estructura del tomo estaba bienestablecida y la estructura del ncleo estaba siendo muy investigada. Se crea que loscomponentes bsicos de la materia seran electrones, protones, neutrones y neutrinos(postulados por Wolfgang Pauli, en 1931, para explicar una prdida anmala de energa en eldecaimiento5 de neutrones, y detectados directamente apenas en 1956). El neutrn, detectadoen 1932, haba sido sugerido un poco antes para explicar la masa nuclear. Antes, se pensabaque el ncleo podra estar constituido por protones y electrones, con exceso de protones paraexplicar su carga positiva. Sin embargo, mediciones del espn nuclear descartaron esa posibilidad.

En el caso del ncleo de nitrgeno, por ejemplo, seran necesarios 14 protones para dar la masa nuclear y 7 electrones para dar la carga lquida de ese ncleo. Pero ese nmero totalimpar de partculas es incoherente con el nmero par necesario para explicar el espn enteroresultante de las mediciones. Sin embargo, si 7 electrones y 7 protones fuesen sustituidos en

4 Anti-leptn es la antipartcula del leptn. Una antipartcula tiene la misma masa y el mismo espn de la partcula en cuestin, pero carga opuesta. No son, por lo tanto, partculas completamente diferentes. Elantielectrn, por ejemplo, es el positrn o electrn positivo, tiene la misma masa y el mismo espn que elelectrn, pero su carga elctrica es positiva. Anlogamente, quarks y antiquarks no son partculas totalmentediferentes.5 Decaimiento puede ser interpretado como el paso de un estado inestable para otro ms estable.


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ese modelo por 7 neutrones, la masa y la carga seran las mismas que antes y el espn enterosera explicado si el espn del neutrn fuese2

h idntico al del protn (Close, 1986, p. 21).

Pero la hiptesis y la deteccin del neutrn plantearon el problema de la estabilidad

del ncleo: siendo ste compuesto de protones y neutrones, cmo reconciliar la existencia deun gran nmero de protones, particularmente en los elementos pesados, en un espacio tan pequeo? La repulsin elctrica entre ellos sera tan grande que llevara el ncleo a estallar.

Mientras tanto, en 1935, Hideki Yukawa propuso la existencia de una nueva partculaque sera la mediadora de la interaccin que mantendra neutrones y protones cohesionados enel ncleo. La interaccin entre protones y neutrones deba ser mediada por alguna partcula, osea, protones y neutrones interactuaran cambiando una partcula. Esta partcula fuedenominadamesn , o pin . Un pin podra ser emitido por un neutrn y absorbido por un protn, o viceversa, haciendo que el neutrn y el protn ejerciesen una fuerza uno sobre elotro. sa otra fuerza fue llamada fuerza nuclear y la correspondiente interaccin fue llamadainteraccin fuerte .

Por la previsin terica de Yukawa, el pin sera ms pesado que el electrn y msleve que el protn. Por tanto, al pasar a travs de una cmara de burbujas donde hubiese uncampo magntico, debera tener una trayectoria menos curvada que la de un electrn, peroms curvada que la de un protn.

En 1936, los fsicos C.D. Anderson y S.H. Neddermeyer encontraron tal trayectoria enuna cmara de burbujas, sin embargo la partcula que la haba dejado no era exactamente la prevista por Yukawa y no era mediadora de la fuerza entre protones y neutrones (fuerzafuerte). Se trataba de otra partcula, que fue llamada demun , bastante semejante al electrn, pero 200 veces ms pesada. La deteccin de esa partcula fue un tanto inesperada y permaneci sin ser explicada durante cerca de 40 aos (Close, 1983, p. 51). El mismo fsicoC.D. Anderson haba detectado en elCaltech (California Institute of Technology), en 1932 (elmismo ao de la deteccin del neutrn), juntamente con P. Blackett, en Inglaterra, la primeraantipartcula, el positrn, o antielectrn. Antipartculas haban sido previstas por Paul Diracen 1928. Anderson y Blackett ganaron el Premio Nobel algunos aos despus.

La partcula de Yukawa, el mesn o pin, fue finalmente detectada, en 1947, con lamasa por l prevista, en un laboratorio en la Universidad de Bristol, en emulsionesfotogrficas sobre las cuales incidan partculas csmicas. En 1948, mesones+ y - fueron

producidos en aceleradores de partculas, en la Universidad de Berkeley, y en 1950 fue producido el mesn0, tambin en choques provocados en aceleradores.

El brasileo Csar Lattes (1924-2005) tuvo un papel destacado en el hallazgo delmesn. Para los brasileos, fue l quien descubri el pin, en Bristol, en 1947. Pero paraotros (por ejemplo, Close, 1983, p. 51) fue C.F. Powel, fsico ingls, jefe del laboratoriodonde Lattes haca sus experimentos. Tambin la produccin artificial de mesones en elacelerador de la Universidad de Berkeley, el ao siguiente, fue obra de Lattes junto con elnorteamericano Eugene Gardner. Pero quien gan el Premio Nobel por el pin, en 1949, fueYukawa que lo previ correctamente aos antes. De cualquier forma, Lattes es el brasileoque ya estuvo ms cerca de la conquista del Premio Nobel de Fsica.


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En esa poca, entonces, eran conocidas las siguientes partculas: electrones, protones,neutrones, neutrinos, positrones, muones y piones. Sin embargo, a medida que continuaron las pesquisas con rayos csmicos y aceleradores de partculas, el nmero de partculas prolifer yempezaron las tentativas de organizarlas en familias con propiedades comunes.

Una de esas clasificaciones es la mencionada en el inicio de este texto: la de losleptones (como los electrones y los neutrinos) que no experimentan la interaccin fuerte(fuerza nuclear) y loshadrones que la experimentan; hadrones se subdividen en dossubcategoras, la de losmesones (como el pin) y la de losbariones (como el protn). En estaclasificacin se puede considerar que el criterio bsico es el peso. Las partculas ms pesadas,como el protn y el neutrn, son llamadas hadrones, subdivididas en bariones y mesones(peso medio) y las ms leves, como el electrn, son denominadas leptones (del griego,leptos que significa leve, fino, delgado).

Tal criterio, sin embargo, es anacrnico. No es exactamente el peso lo que distinguehadrones y electrones, sino el hecho de que experimenten o no la interaccin fuerte, como sedijo en el inicio del prrafo.

Pero, la poblacin de partculas continu creciendo y fue necesaria una nueva manerade organizacin.

La clasificacin octal

En 1960-61, Murray Gell-Mann, un fsico delCaltech , y Yuval Ne'eman, un fsico del Imperial College de Londres, desarrollaron, independientemente, una clasificacin que fueconsiderada el primer intento con xito de evidenciar la conexin bsica existente entre partculas de diferentes familias.

Verificaron que muchas partculas conocidas pudieron ser agrupadas en familias deocho partculas con caractersticas anlogas. Todas las partculas dentro de una familia tenanespn y nmero barinico6 iguales, y todas tenan aproximadamente la misma masa. Muchoshadrones pudieron ser agrupados en conjuntos de ocho. Esa manera de clasificar partculasfue llamada declasificacin octal (Brennan, 2000, p. 239).

De cierto modo, hicieron para las partculas elementales lo que Mendeleev hizo cercade un siglo antes para los elementos qumicos: crearon una tabla peridica.

Antes de que pasemos a un ejemplo de esa clasificacin, es necesario hablar deextraeza. En los estudios con rayos csmicos, la velocidad de decaimiento de ciertas partculas no corresponda a las previsiones tericas y, adems, tales partculas tenan la peculiaridad de ser siempre producidas en pares. Eran consideradas partculasextraas 7 .

6 Nmero barinico es el nmero total de bariones presente en un sistema menos el nmero total de antibariones(Fritzsch, 1983, p. 275).7 El adjetivo "extraas" para esas partculas era debido a que, siendo hadrones, eran producidas por procesos deinteracciones fuertes, entonces sus decaimientos serian tambin debido a esa interaccin. Pero, en ese caso suvida media debera ser muy pequea, del orden de los 10-24 segundos, que es el tiempo caracterstico de lasinteracciones fuertes. stas tambin eran producidas a los pares. Para explicar este ltimo hecho, primero seintrodujo el concepto de la "produccin asociada" y despus el esquema de la extraeza (que tambin explica lano observacin de otros decaimientos). Experimentalmente se meda una vida media 1014 a 1016 veces mayor.


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Murray Gell-Mann, el mismo fsico que ms tarde propondra la clasificacin octal,sugiri, en 1953, que ciertas partculas subatmicas tenan una propiedad llamadaextraeza. Es una propiedad que gobierna la velocidad con que decaen esas partculas subatmicas.

La extraeza es una propiedad de la materia, anloga a la carga elctrica, que unas

partculas tienen y otras no.Extrao tal vez sea el nombre extraeza. Pero es apenas una cuestin de nombre.

Podra ser otra la palabra que representase tal propiedad. Carga elctrica tambin es una propiedad que no se sabe exactamente qu es, pero se sabe que algunas partculas tienen cargaelctrica y otras no8. Pero admitiendo que existe tal propiedad, es posible explicar, modelar, prever varios procesos fsicos. Anlogamente, hay otras propiedades de la materia que nosabemos exactamente qu son, pero admitiendo su existencia los fsicos pueden, por ejemplo, prever el resultado de ciertos procesos.

La suposicin de la extraeza les permiti a los fsicos prever, con xito, sideterminadas partculas seran producidas en ciertas reacciones, si decaeran en determinadotiempo. (El color, o carga color, concepto que se retomar ms adelante en este trabajo, estambin una propiedad de la materia que la tienen algunas partculas y otras no. Tambin eneste caso, es una cuestin de nombre; el significado no es el del cotidiano).

Veamos ahora un ejemplo de la clasificacin octal, como indica la Figura 1. A laizquierda hay un sistema de ejes, donde la extraeza est en el eje de las ordenadas y la cargaelctrica en el eje de las abscisas. A la derecha, el mismo sistema lleno de mesones k (kaons)y mesones (piones). Debajo, en la misma Figura 1, una familia octal de bariones constituida por el neutrn, por el protn y por las partculas , y . En este caso, fue aadida unaunidad en el eje de la extraeza.

Si prescindimos del hecho de que en el patrn de los mesones hay slo una partculaen el centro y en el de los bariones hay dos, los patrones seran idnticos. Para que fuesenidnticos sera necesario un mesn con carga y extraeza cero. Ese mesn llamado eta (

0),

con masa de 550 MeV, sin carga y sin extraeza, fue descubierto en 1961. Ese patrn, unaespecie de tabla peridica para las partculas elementales es llamado decamino ctuple.

El camino ctuple fue propuesto por Gell-Mann y Ne'eman, poco ms de diez aosdespus del hallazgo de la primera partcula extraa, usando mtodos matemticos conocidoscomo teora de grupos.

Quarks

Con el objetivo de refinar la clasificacin octal, o los patrones del camino ctupleincorporando no solo octetos, sino mltiplos de un modo general, Murray Gell-Mann y otrofsico llamado George Zweig concluyeron, independientemente, que tales patrones resultaran

Despus qued claro que los decaimientos eran producidos por las interacciones debiles y que stas violaban laextraeza.8

Hay que tener cuidado con esa analoga, es decir, la extraeza no es exactamente un anlogo de la cargaelctrica, pues sta est asociada a una de las interacciones fundamentales (la interaccin electromagntica) y laextraeza no.


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naturalmente si algunas de las partculas fundamentales del tomo fuesen formadas por partculas an ms fundamentales que son conocidas comoquarks 9.

Hoy se acepta que los quarks, as como los electrones, son las partculasverdaderamente elementales de la materia, una especie de ladrillos bsicos para la

construccin de toda la materia, incluso de los neutrones y protones.Pero en 1964, cuando los quarks eran an entidades hipotticas propuestas por Gell-

mann y Zweig la conjetura era osada y poca gente la tom en serio. Segn parece, el propioGell-Mann no confiaba mucho, tanto es que no intent publicar el artculo que propona esa partcula elemental hipottica en el peridico ms reconocido del rea. Lo public en otro peridico que tal vez no fuese tan exigente (Brennan, 2000, p. 243).

estr aeza

+1

0

-1

-1 0 +1

carga elctrica

0 +

0

carga elctrica

+1

0

-1

0 +

- 0 +

- 0

carga elctrica

estr aeza+1

+1

0

-1

n p

Figura 1. Patrones hexagonales paramesones y bariones, a partir de las propiedades extraeza y cargaelctrica, constituyendo el llamadocamino ctuple . El descubrimientodel mesn eta (0), en 1961, dejidnticos los dos patrones (Close,1983, pp. 63-64).

0

9Zweig llam esas nuevas partculas deases , pero el nombre dado por Gell-Mann, aparentemente tirado de unromance de Jame Joyce, fue el que se populariz.


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Con la teora de los quarks, el problema era que tales partculas tenan propiedadesmuy peculiares, por no decir misteriosas: su carga elctrica sera fraccionaria ( 1/3e, 2/3e),no existiran como partculas libres, y constituiran los hadrones siempre en pares quarks-antiquarks ( qq , mesones) o en tros de quarks (qqq , bariones). Por qu no existirancombinacionesqq (diquarks) oqqqq (tetraquarks), por ejemplo?

Por otro lado, comparando el mundo de los hadrones y el de los leptones, se notabaque haba slo seis leptones y muchos hadrones. Eso reforzaba la hiptesis de que stos seran partculas compuestas de otras ms elementales.

La teora original de los quarks prevea la existencia de tres tipos, o sabores , dequarks: el quark up (u), el quark down (d ) y el quark extrao ( s). Los quarksu y d seransuficientes para construir la materia comn el protn estara constituido por dos quarksu yun quark d y el neutrn estara hecho de un quark u y dos quarksd. Hay que observar que lacarga del protn continuara siendo +e, pues el quark u tendra carga +2/3e y el quark d tendra carga -1/3e (luego, 2/3e +2/3e -1/3e = +e, carga del protn), mientras que el neutrncontinuara desprovisto de carga (2/3e - 1/3e - 1/3e = 0).

El quark extrao fue propuesto para incluir el nmero cuntico de la extraeza,explicando, as, por qu ciertas partculas creadas en colisiones provocadas en aceleradores dealta energa tendran la extraa propiedad de existir durante perodos de tiempo ms largosque los previstos tericamente.

La evidencia experimental de los quarks fue considerada convincente slo en ladcada de 1970, la llamada dcada de oro de la Fsica de Partculas, a travs de reacciones dealtas energas en aceleradores/colisionadores de partculas como el acelerador Lineal deStanford, el Tevatron del Fermilab, en Batavia, Illinois y el Gran Colisionador Electrn-Positrn del CERN (Centro Europeo de Fsica de Partculas).

En los aceleradores/colisionadores, las partculas primero son aceleradas, alcanzandoenergas muy elevadas y velocidades prximas a la de la luz, y despus son llevadas acolisionar frontalmente con otras partculas que se desplazan en direccin opuesta. De esechoque, o explosin, pueden resultar partculas exticas que pueden ser analizadas y cuyas propiedades, en ciertos casos, pueden ser comparadas con las propiedades previstastericamente de modo a detectarlas. (Claro que, en la prctica, las cosas no son tan simples, pero la idea es sa).

Pero los quarks no fueron detectados como partculas libres, as como no fuerondescubiertos hadrones que no estuviesen formados por tres quarks (bariones) o por un par quark-antiquark (mesones), tal como prevea la teora original.

Volviendo a la dcada de 1960: un segundo neutrino, elneutrino del mun, fuedetectado experimentalmente, en 1962, confirmando la previsin terica. Haba, entonces,cuatro leptones: el electrn (e-), el mun (u-), el neutrino del electrn (ve) y el neutrino delmun (vu).

Por qu no cuatro quarks tambin? Los fsicos estn siempre buscando simetras en lanaturaleza, o intentando explicar las asimetras. Si de hecho haba una cierta analoga entrequarks y leptones, como partculas verdaderamente elementales, la asimetra tres quarks


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versus cuatro leptones no tena sentido. La manera ms simple de resolver eso era suponer laexistencia de un cuarto tipo de quark con carga (2/3)e.

Ese cuarto quark, denominadoquark c o quark charme , fue descubiertoexperimentalmente en 1976, indirectamente, a travs del hallazgo de un hadrn llamado

partcula psi que era una combinacin de quark y antiquark de tipo enteramente nuevo.Pero antes, en 1975, fsicos experimentales en el Acelerador Lineal de Stanford

observaron ciertos efectos que seran incomprensibles sin la existencia de un quinto leptncargado y con masa prcticamente doble a la del protn. Ese leptn fue llamadotau . En 1978,resultados experimentales sugirieron que el leptn tau estara asociado a un nuevo neutrino, elneutrino del tau10 (Fritzsch, 1983, p. 62). Haba, entonces, seis leptones.

En 1977, investigadores del Fermilab anunciaron el descubrimiento del quinto quark:el quark bottom . El sexto quark, elquark top , postulado por los fsicos tericos hace muchotiempo, slo fue encontrado por los fsicos experimentales, tambin del Fermilab, en 1995. Elequipo que descubri elquark top inclua brasileos, bajo el liderazgo de Alberto Santoro,fsico que contina liderando un equipo de investigadores del CBPF, de la UERJ y de otrasuniversidades brasileas que colaboran en experimentos del CERN y del Fermilab (Oliveira,2005, p. 66). Adems, cabe registrar que los hallazgos de los aos 70 en adelante introdujeronuna nueva forma de organizacin de las investigaciones en esa rea, pues pasaron a ser realizadas por grandes equipos de fsicos, de varias nacionalidades, ya que el procesamientode datos cientficos es realizado cada vez ms en un formato computacional que permite esetipo de colaboracin.

Se complet, as, una bsqueda de aproximadamente 30 aos, desde la propuesta deGell-Mann y Zweig, en 1964, hasta el hallazgo delquark top en 1995.

Recapitulando, hay seis leptones (electrn y neutrino del electrn, mun y neutrino delmun, tau y neutrino del tau) y seis quarks (up, down, extrao, charme, bottom y top ), cadauno tiene la antipartcula correspondiente. La Tabla 1 presenta, a ttulo de ejemplo, algunoshadrones (mesones y bariones) y su estructura de quarks.

Tabla 1. Algunos bariones y mesones y su estructura de quarks.

Bariones Estructura Mesones... Estructura p (protn)

n (neutrn) - (omega menos)+ (sigma ms)0 (sigma cero)- (sigma menos)

uud

udd sssuusudsdds

+ (pi ms)

0

(pi cero) - (pi menos)J/ (jota psi) - ( menos)0 ( cero)

ud

d d uu / d u cc su d s

Pero esta historia no acaba con el hallazgo del quark top. Al contrario, an va a llegar lejos. Veremos que los quarks se presentan en tres "colores" posibles y que, para explicar cmo se mantienen confinados en el interior de los hadrones, fue necesario suponer una nueva

10 El neutrino del tau fue observado directamente slo en 2000 en el FERMILAB.


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interaccin fundamental la interaccin fuerte y, por consiguiente, una nueva partculamediadora el glun . La interaccin fuerte mediada por gluones es llamada fundamental mientras que la mencionada antes, aqulla mediada por mesones, es consideradaresidual .

Pero antes, hagamos una breve digresin epistemolgica.

Quarks y epistemologa

Muchas veces se piensa que las teoras fsicas son elaboradas para explicar observaciones. Parece lgico: se observa, se hacen registros (mediciones, por ejemplo) quegeneran datos y de stos se induce alguna teora, alguna ley.

Puede parecer lgico, pero no es as. Hay una interdependencia, una relacindialctica, entre teora y experimentacin. Una alimenta la otra, una dirige la otra. La Fsicade Partculas, en particular la teora de los quarks, es un bello ejemplo de eso.

Lo que llev a Gell-Mann y Zweig a postular la existencia de los quarks fue unacuestin de simetra el camino ctuple y lo que reforz la aceptacin de su propuesta fueuna cuestin de asimetra por qu tan pocos leptones (partculas leves) y tantos hadrones(partculas pesadas)?

Pero cuando Gell-Mann propuso el concepto de extraeza, lo hizo para explicar elcomportamiento experimental extrao de ciertas partculas.

Los neutrinos fueron postulados por Pauli, en 1931, para explicar resultadosexperimentales anmalos en el decaimiento de neutrones, y fueron detectadosexperimentalmente en 1956.

Yukawa propuso el pin (mesn) en 1935 y su evidencia experimental fue obtenidaen 1947. Los quarks charme y top fueron previstos tericamente y descubiertos aos despus.

La Fsica de Partculas est llena de ejemplos de la interdependencia entre teora yexperimentacin. Por un lado, se postulan nuevas partculas para explicar resultadosexperimentales imprevistos, por otro, se buscan experimentalmente ciertas partculas previstastericamente. Se construyen mquinas (aceleradores/colisionadores) para detectar experimentalmente partculas previstas en la teora de las partculas. Se espera, por ejemplo,

detectar hasta 2010 una partcula prevista tericamente llamada Bosn de Higgs. Eso porquesolamente en 2010 estar en pleno funcionamiento en el CERN una mquina capaz dedetectarla, si de hecho existe. Si no existe, la teora tendr que ser modificada (Schumm,2004, p. 121).

Otra cuestin que podr llevar a una modificacin de la teora es la asimetra materia-antimateria. La teora prev que para cada partcula hay una antipartcula y eso ha sidoconfirmado experimentalmente, pero en el universo (por lo menos lo que es de nuestroconocimiento) hay mucho ms materia que antimateria y eso la teora an no lo ha explicado(op. cit., p. 14).

La hiptesis de los quarks hecha por Gell-Mann y Zweig, en 1964, es lo que KarlPopper (1982) llamara de conjetura audaz. Popper es el epistemlogo de las conjeturas y


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refutaciones. Para l las teoras cientficas son conjeturas, productos del intelecto humano,necesariamente refutables. Segn l, se puede aprender mucho ms de la confirmacin(siempre provisional) de conjeturas audaces que de la corroboracin de conjeturas prudentes.La conjetura de Gell-Mann y Zweig fue audaz y los resultados experimentales que, por ahora,la corroboran trajeron enormes avances en la comprensin de la constitucin de la materia.

Adems, la conjetura fue tan audaz que, como ya se dijo, Gell-Mann crey que sutrabajo podra no ser aceptado en la revista de Fsica de mayor prestigio y lo encamin a otra.Zweig, a su vez, cuenta la reaccin de la comunidad de fsicos tericos de la siguiente manera(Fritsch, 1983, p. 75):

La reaccin de la comunidad de fsicos tericos al modelo de un modo general no fue buena. Publicar el trabajo en la forma que yo quera fue tan difcil queacab desistiendo. Cuando el departamento de Fsica de una importanteuniversidad estaba considerando mi contratacin, el fsico terico ms senior de ese departamento, uno de los ms respetados fsicos tericos, vet lacontratacin en una reunin de departamento diciendo que el modelo que yohaba propuesto era trabajo de un charlatn. La idea de que los hadrones estaban formados por partculas an ms elementales pareca demasiado rica.

Esa idea, sin embargo, es aparentemente correcta.

Lo que Zweig y Gell-Mann enfrentaron en 1964 es lo que el epistemlogo StephenToulmin (1977) llama de foro institucional. Ese foro est constituido por los peridicoscientficos, por las asociaciones cientficas, por los grupos de referencia y por eminentescientficos como el que vet la contratacin de Zweig. El foro institucional desempea un papel importante en la consolidacin de una disciplina, pero funciona como filtrador y puede bloquear, contrariar, restringir la difusin de ideas nuevas como la de Gell-Mann y Zweig.

Zweig perdi el empleo por aquel entonces, pero acab viendo su hiptesisconfirmada y ciertamente consigui otras posiciones en buenas universidades.

Gell-Mann fue ms feliz. Ya era profesor del Caltech desde 1956 y no fue dimitido por sus hiptesis audaces (extraeza, clasificacin octal, quarks). Al contrario, gan el Premio Nobel, en 1969, a los cuarenta aos, cuando los quarks an eran apenas hipotticos,demostrados slo matemticamente, pero no detectados experimentalmente.

La Fsica de los quarks puede tambin ser usada para, tentativamente, ilustrar

conceptos propuestos por Thomas Kuhn (2001), tal vez el ms conocido epistemlogo de laciencia en el siglo XX: paradigma y ciencia normal.

Segn Kuhn (2001, p. 13), paradigmas sonrealizaciones cientficas universalmentereconocidas que, durante algn tiempo, suministran problemas y soluciones ejemplares paraun comunidad de practicantes de una ciencia. Kuhn cita (op.cit., p. 30) la Fsica deAristteles, la Astronoma de Ptolomeu, la Mecnica y la ptica de Newton y la Qumica deLavoisier como ejemplos de paradigmas porque sirvieron, durante algn tiempo, para definir implcitamente los problemas y mtodos legtimos de un campo de investigacin para

generaciones posteriores de practicantes de la ciencia. Y as fue porque compartan doscaractersticas esenciales: sus realizaciones fueron suficientemente sin precedentes como para

atraer un grupo duradero de partidarios y, al mismo tiempo, suficientemente abiertas como para dejar una variedad de problemas para que los resolviera ese grupo.


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Segn parece, la Fsica de los quarks es un buen ejemplo de lo que Kuhn llama paradigma. Probablemente otro paradigma vendr, no tan revolucionariamente como propondra Kuhn, sino de manera evolutiva. La cuestin es que las teoras fsicas nunca sondefinitivas, estn siempre evolucionando. Ciertamente nuevas ideas, nuevas conjeturas,surgirn en el campo de la Fsica de Partculas.

La teora de los quarks tambin sirve de ejemplo, de modo tentativo, para lo que Kuhnllama ciencia normal: es la actividad en la cual la mayora de los cientficos emplea,inevitablemente, casi todo su tiempo, basada en el presupuesto de que la comunidad cientficatiene teoras y modelos confiables sobre cmo es el mundo (op. cit., p. 24). Segn Chalmers(1999, p. 129),el cientfico normal trabaja con confianza dentro de un rea bien definida,dictada por un paradigma. El paradigma le presenta un conjunto de problemas definidos

juntamente con los mtodos que cree que son adecuados para su solucin.

No fue eso lo que los fsicos experimentales hicieron al construir mquinas cada vezms potentes para detectar partculas previstas tericamente? El mtodo que crean que eraadecuado es el de los choques en aceleradores/colisionadores de alta energa. Y continancreyndolo porque, como ya se dijo, estn construyendo un nuevo acelerador y estn buscando obstinadamente una nueva partcula, llamada bosn de Higgs, prevista tericamenteen 1963.

Por otro lado, fsicos tericos tambin han hecho ciencia normal al intentar resolver problemas de naturaleza terica del paradigma buscando una mejor articulacin de l con elobjetivo de mejorar su correspondencia con la naturaleza.

Segn Kuhn, la emergencia de otro paradigma llevar a otro perodo de ciencianormal. Pero dejemos, por ahora, la visin epistemolgica y volvamos a la Fsica de losquarks.

Quarks tienen color

Partculas con espn como los electrones, protones, neutrones y quarks obedecen elPrincipio de la Exclusin de Pauli, segn el cual dos partculas del mismo tipo no puedenocupar el mismo estado cuntico, o sea, el mismo estado de energa y espn. Eso significa quedos o ms quarks del mismo sabor (tipo), o sea, idnticos no pueden ocupar el mismo estado.

Por tanto, segn esa regla una partcula constituida, por ejemplo, por tres quarksidnticos no podra existir. Pero una partcula llamada - (omega menos), previstatericamente por Gell-Mann y Ne'eman, en 1962, como elemento faltante de una familia dediez (es decir, las familias no eran slo de ocho miembros como las de la clasificacin octal)fue ms tarde descubierta y estaba constituida por tres quarks extraos idnticos. O sea, no podra existir con esa constitucin, pero exista.

Para resolver ese problema, un fsico llamada Oscar Greenberg sugiri que los quarks posean otra propiedad, bastante anloga a la carga elctrica, pero que tendra lugar en tresvariedades en lugar de dos (positiva y negativa). Aun no teniendo nada que ver con elsignificado de color en la ptica, o en el cotidiano, esa propiedad fue llamadacolor , o carga color , y las tres variedades fueron denominadas rojo, verde (o amarillo) y azul. Quarks tienen


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colores positivos y antiquarks tienen colores negativos o anti-colores (anti-rojo, anti-verde yanti-azul).

Entonces, color es una propiedad de la materia, as como la carga elctrica es tambinuna propiedad de la materia. Algunas partculas tienencolor, otras no. Leptones no tienen

color, son blancos. Quarks tienen color, son coloridos11

.El nmero total de quarks es, entonces, 36: los seis quarks (up, down, extrao, charme,

bottom y up) pueden, cada uno, presentar tres colores totalizando 18, pero hay tambin seisantiquarks, y cada uno puede tener tres anti-colores, sumando tambin 18, de modo que elnmero total de posibilidades es 3612.

El concepto de color, como una propiedad que tienen los quarks, resuelve el problemade la existencia de partculas formadas por quarks idnticos, pues al existir tal propiedad enms de una variedad, dejan de ser idnticos.

Pero surge otro problema terico: se sabe en la electrodinmica que tres electronesnunca formarn un estado ligado, un sistema estable, pero tres quarks pueden formar unestado de ese tipo, como el hadrn -. Cmo resolver eso? Debe haber una fuerza atractivaentre los quarks de modo que puedan formar hadrones.

Esa fuerza es llamada fuerza fuerte 13 y la teora de las interacciones entre quarks es laCromodinmica Cuntica, as como la Electrodinmica Cuntica es la teora de lasinteracciones entre electrones. Pero hay una diferencia fundamental: electrones pueden ser observados como partculas independientes, sin embargo quarks no. Cmo sera, entonces, lafuerza entre los quarks?

Interacciones fundamentales

Objetos, cuerpos, cosas, ejercen influencia unos sobre los otros produciendo camposde fuerza alrededor de s. Hay una interaccin entre ellos. El campo de un cuerpo ejerce unafuerza sobre otro cuerpo y viceversa.

En la naturaleza hay distintas interacciones consideradas fundamentales, o distintoscampos fundamentales, o, tambin, distintas fuerzas fundamentales. No muchas, comoveremos.

Empecemos con la conocidainteraccin gravitacional . Un cuerpo con masa creaalrededor de s un campo gravitacional y ejerce una fuerza gravitacional sobre otro cuerpomasivo, y viceversa.

11 No se debe imaginar, sin embargo, quarks como bolitas, y mucho menos coloridas como aparecenen los libros didcticos. Esa imagen dificulta la comprensin de lo que es un quark.12 Consideraciones tericas, fuera del objetivo de este texto, limitan ese nmero de posibilidades.13 No se debe pensar aqu que quarks sienten slo la fuerza fuerte; sienten tambin las dems fuerzas, pues tienenla carga elctrica y la dbil y son una forma de materia-energa. Pero, experimentan tales fuerzas en intensidadesmuy diferentes.


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Hay tambin otra interaccin bastante conocida, laelectromagntica. Un cuerpocargado elctricamente produce alrededor de s un campo elctrico y ejerce una fuerzaelctrica sobre otro cuerpo electrizado, y viceversa. Si ese cuerpo est en movimiento aparecetambin un campo magntico y una fuerza magntica. Es decir, en verdad el campo y lafuerza son electromagnticos y la interaccin es electromagntica.

O sea, la interaccin entre cuerpos con masa es la gravitacional y la interaccin entrecuerpos con carga elctrica es la electromagntica. Carga elctrica y masa son propiedadesfundamentales de la materia. Los quarks tambin tienen una propiedad fundamental, el color.Como ellos estn siempre confinados, debe haber, entonces, una fuerza atractiva entre ellos,debe haber un campo de fuerzas que los mantiene unidos en los hadrones. Es la llamadainteraccin fuerte que se manifiesta a travs de la fuerza fuerte, o fuerza nuclear fuerte. Esainteraccin, como ya se dijo, tiene origen en la propuesta de Yukawa, en 1935.

Hay an una cuarta interaccin fundamental, lainteraccin dbil . As como hay unafuerza nuclear dbil y un campo dbil.

sta es la ms oscura de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Semanifiesta principalmente en el decaimiento beta, un proceso en el cual ncleos atmicosinestables se transforman a travs de la emisin de un electrn y un neutrino. (Por ser tanoscura, tal vez sea la ms interesante de todas para la investigacin en Fsica de Partculas).

Resumiendo, las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza son:gravitacional, electromagntica, fuerte y dbil. Cada una de ellas se debe a una propiedadfundamental de la materia: masa en el caso gravitacional, carga elctrica en la interaccinelectromagntica, color en la interaccin fuerte (quarks) y, en el caso de la interaccin dbil,una propiedad llamada carga dbil. Es ms, por qu no llamar estas cuatro propiedades decargas: carga gravitacional (o carga masa), carga elctrica, carga color y carga dbil?

Habra entonces en la naturaleza cuatro interacciones fundamentales, cuatro fuerzasfundamentales y cuatro cargas (propiedades fundamentales).

Slo cuatro. Y tal vez menos, pues tericamente ya se interpreta la fuerzaelectromagntica y la fuerza dbil como manifestaciones de solamente una, que es laelectrodbil, y se busca una unificacin an mayor. Pero nos quedamos con las cuatro y nos preguntamos: Quin media esas interacciones? o Quin transporta esas fuerzas? Habratambin cuatro agentes mediadores? S, hay. Son las partculas mediadoras o partculas de

fuerza o, tambin, partculas mensajeras.

Partculas virtuales

Ya se dijo, ms de una vez, que leptones y quarks son, segn la teora actual, losconstituyentes bsicos de la materia. O mejor, los seis leptones y seis quarks (cada uno consus tres colores) y sus antipartculas.

Pero para construir otras partculas a partir de sas, llamadas verdaderamenteelementales, es necesario mantenerlas juntas de alguna manera, y ah entran las fuerzas y la

idea de partculas de fuerza o partculas mediadoras: fotones, gluones, W y Z, y gravitones.


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Los fotones son las partculas mediadoras de la interaccin electromagntica.Supongamos un electrn y un protn interactuando. Sabemos que tienen cargas elctricas deseales contrarias, el electrn es negativo y el protn positivo, por tanto, hay una atraccinentre ellos, una fuerza de atraccin, aunque en esa interaccin sean slo desviados de sustrayectorias. Eso se llama dispersin y en ese proceso hay una transferencia de energa y

momentum que puede ser descrita de la siguiente manera: una de las partculas, el electrn,digamos, emite un fotn y la otra, el protn, absorbe ese fotn (Okun, 1987, p. 55).

Es decir, la interaccin electromagntica puede ser explicada en trminos de cambiode fotones. A rigor, cada partcula cargada interacta con el campo electromagntico, peroste es un campo de fotones. Entonces, una partcula cargada interacta con el camposufriendo una fuerza. Pero quin son los portadores, o los mensajeros de esa fuerza? Sonlos fotones. Por otro lado, la partcula cargada tambin ejerce una fuerza en la otra partcula o,si queremos, esta partcula tambin interacta con el campo sufriendo una fuerza que estransmitida por fotones.

Repitiendo, es como si hubiese un cambio de fotones y en ese sentido los fotones son partculas mediadoras de la interaccin electromagntica, o partculas portadoras de la fuerzaelectromagntica, o, tambin, partculas mensajeras de esa fuerza.

En esa lnea de raciocinio, debe haber, entonces, partculas mediadoras de las demsinteracciones fundamentales. S, existen, o deberan existir; son los gravitones en lainteraccin gravitacional, las partculasW + , W - y Z 0 en la interaccin dbil y los gluones en lainteraccin fuerte.

Esas partculas mediadoras son llamadas decuantos de los campos correspondientes.As como los fotones son los cuantos del campo electromagntico, las partculas W+, W-, Z0 son los cuantos de la interaccin nuclear dbil, o del campo de la fuerza nuclear dbil. Losndices +, - e 0 se refieren a su carga elctrica. Las tres fueron detectadas por primera vez, en1983, en el colisionador protn/antiprotn del CERN. En 1984, Carlo Rubia y Simon Van der Meer ganaron el Premio Nobel por tales descubrimientos (Schumm, 2004, p. 120).

El cuanto del campo gravitacional, o sea, la partcula mediadora de la interaccingravitacional sera el gravitn, sin embargo su existencia es, an, puramente especulativa. Elgravitn an no fue detectado. Sera una partcula sin masa, con espn 2. Pero an no hay, nisiquiera una teora cuntica de la gravedad, es decir, una teora que haga uso del gravitn paracalcular fuerzas gravitacionales. Pero, es verdad, que hay muchos fsicos tericos que lo estn

intentando (op. cit., p. 121).En el caso de la interaccin fuerte, la partcula mediadora es el glun. Hay ocho tipos

de gluones. Son los que median la fuerza fuerte, la fuerza que mantiene los quarks ligados yconfinados en los hadrones. De cierta forma, los gluones son la cola de la materia. El campode la fuerza fuerte es un campo glunico.

La existencia de los gluones fue confirmada, en 1979, en un colisionador electrn/positrn, en Hamburgo, Alemania. En aquella poca, ese colisionador era el nicocon energa suficiente para detectar tales partculas. Glun es el trmino genrico para losocho tipos existentes. As como los quarks, gluones tienen color, y, as como ellos, estn

siempre agrupados, de modo que nunca se sabe cules de los ocho posibles cuantos del campo


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de la fuerza fuerte participan de una determinada interaccin. Gluones son partculas sinmasa, con espn 1.

Puede parecer raro que esas partculas mediadoras puedan no tener masa. De todas,slo las partculas W y Z tienen masa. Pero es necesario recordar que hay una equivalencia

entre masa y energa; masa es una forma de energa. O sea, pueden no tener masa, pero tienenenerga, o son pulsos de energa.

Se dice, entonces, que las partculas mediadoras son reales o virtuales. Las partculasreales pueden desplazarse de un punto para otro, obedecen a la conservacin de la energa yhacen clics en detectores Geiger. Partculas virtuales no hacen nada de eso. Son una especiede constructo lgico. Pueden ser criadas tomando energa prestada del campo y la duracindel emprstito es gobernada por el Principio de la Incertidumbre de Heisenberg segn elcual , lo que significa que cuanto mayor la energa ( E ) prestada, menor eltiempo (t ) que la partcula virtual puede existir para disfrutarla (Lederman, 1993, p. 278).

E t h

Las partculas mediadoras pueden ser partculas reales, sin embargo ms

frecuentemente aparecen en la teora como partculas virtuales, de modo que muchas veceslos dos trminos son tomados como sinnimos (ibid.). Son virtuales las partculas que llevanel mensaje de la fuerza entre partculas reales. Pero es necesario tener cuidado con esaterminologa pues, si no interacta con otras partculas, una partcula virtual puede ser real.Fotones, por ejemplo, pueden ser reales si estn siempre libres.

Resumiendo, segn lo que sabemos hoy, hay cuatro interacciones fundamentales en lanaturaleza (gravitacional, electromagntica, dbil y fuerte) debidas a cuatro propiedades(cargas) fundamentales atribuidas a la materia (carga gravitacional/masa, carga elctrica,carga dbil y carga color), cuatro campos de fuerza (campo gravitacional, campoelectromagntico, campo de la fuerza dbil y campo de la fuerza fuerte), cuatro fuerzasfundamentales (gravitacional, electromagntica, dbil y fuerte) y cuatro tipos de partculasvirtuales mediadoras (gravitones, fotones, W y Z, gluones), aunque los gravitones an sonespeculacin terica.

El Modelo Standard

El modelo que intenta describir la naturaleza de la materia, o de qu est hecho eluniverso y cmo se aglutinan sus partes, en trminos de cuatro fuerzas, cuatro partculas

(virtuales) mediadoras y doce partculas fundamentales es el llamadoModelo Standard .Las doce partculas fundamentales son los seis leptones y los seis quarks; las cuatro

partculas mediadoras son los fotones, los gluones, las partculas W y Z y los gravitones; lascuatro fuerzas son la electromagntica, la fuerte, la dbil y la gravitacional.

Las partculas fundamentales, o partculas de materia, son llamadas de fermiones .Leptones y quarks son, por tanto, subclases de fermiones. Los leptones no son influenciados por la fuerza nuclear fuerte, no estn encerrados dentro de partculas mayores y pueden viajar por cuenta propia. Electrones, muones y neutrinos son leptones. Quarks sufren la fuerza fuertey estn siempre confinados en partculas mayores (hadrones).


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Las partculas virtuales que transmiten las cuatro fuerzas de la naturaleza son llamadasbosones . Mientras que los fermiones son partculas de materia, los bosones son partculas de

fuerza .

Para completar el modelo, falta an laantimateria: partculas con masa y espn

idnticos a los de la materia comn, pero con cargas opuestas. Para cada partcula existe laantipartcula correspondiente. El antiprotn es la antipartcula del protn, el antineutrino es laantipartcula del neutrino, etc. La antimateria est constituida por antiprotones, antineutrinos yantielectrones (positrones). Partculas neutras como los fotones y los mesones0, son igualesa sus propias antipartculas (Fritzsch, 1983, p. 275).

Hay en la naturaleza una asimetra materia-antimateria. Aunque ya haya sido producida experimentalmente, la antimateria es raramente encontrada en la naturaleza.Explicar esta asimetra es una de las dificultades de la Fsica Contempornea. Por consiguiente, es una dificultad del Modelo Standard, que es la actual explicacin de la Fsica para la constitucin del universo.

La Tabla 2 esquematiza la constitucin de la materia segn el Modelo Standard. Ahestn las doce partculas fundamentales, las cuatro fuerzas y las cuatro partculas de fuerza.Hadrones son partculas compuestas. En el universo hay una asimetra entre materia yantimateria o entre partculas y antipartculas.

Tabla 2. Una visin esquemtica de la constitucin de la materia segn el Modelo Standard

MATERIAPARTCULAS DE MATERIA

LEPTONES (Fermiones) QUARKS (Fermiones)

Electrn Quark up (u)Quark down (d)

Neutrino del electrn Quark charm (c)Quark extrao (s)

Mun Quark bottom (b)Quark top (t)

Neutrino delmun HDRONS

Tau BARIONES MESONES

Neutrino del tau tres quarks pares quark-antiquark

FUERZAS (INTERACCIONES) FUNDAMENTALESElectromagntica Dbil

Electrodbil Fuerte Gravitacional

PARTCULAS DE FUERZA (Bosones)Fotones W & Z Gluones Gravitones (no

detectados)PARTCULAS DE ANTIMATERIA (asimetra)

ANTIMATERIA (asimetra)


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Dificultades del Modelo Standard

El Modelo Standard de las partculas elementales no es un simple modelo fsico, es unreferencial terico que incorpora la Cromodinmica Cuntica (la teora de la interaccinfuerte) y la Teora Electrodbil (la teora de la interaccin electrodbil que unifica las

interacciones electromagntica y dbil). Y ah aparece una gran dificultad del ModeloStandard, tal vez la mayor: no consigue incluir la gravedad porque la fuerza gravitacional notiene la misma estructura de las otras tres fuerzas, no se adecua a la teora cuntica, la partcula mediadora hipottica el gravitn an no ha sido detectada.

Otro problema del Modelo Standard es el bosn de Higgs. En el modelo, interaccionescon el campo de Higgs (al cual est asociado el bosn de Higgs) haran que las partculastuviesen masa. Sin embargo, el modelo no explica bien esas interacciones y el bosn de Higgsan no ha sido detectado (Kane, 2003, p. 62; Kane, 2005).

La asimetra materia-antimateria tampoco es explicada por el Modelo Standard.Cuando el universo empez, en elbig bang , la energa liberada debera haber producidocantidades iguales de materia y antimateria. Por qu, entonces, actualmente, prcticamentetodo est hecho de materia? Por qu la antimateria es raramente encontrada en la naturaleza?(Collins, 2005, p. 59).

Adems de sas, hay otras dificultades. Algunas son resultantes de las limitaciones delmodelo. Como toda teora fsica, ese modelo no puede explicarlo todo. Hay cosas que elmodelo nunca explicar. Otras, como la del bosn de Higgs, pueden llevar a modificacionesen la teora. Si la partcula, prevista tericamente por el modelo para explicar la masa de las partculas, no es detectada, la teora tendr que ser modificada.

Lo importante aqu es darse cuenta de que el Modelo Standard de la Fsica dePartculas es la mejor teora sobre la naturaleza jams elaborada por el hombre, con muchasconfirmaciones experimentales. Por ejemplo, el modelo previ la existencia de las partculas

Z y W , del glun, de los quarks charme y top que fueron todas posteriormente detectadas, conlas propiedades previstas. Pero no por eso es una teora definitiva. Ciertamente ser sustituida por otra que responder a algunas de las dificultades apuntadas, podr tener algunasconfirmaciones espectaculares, pero tendr sus propias dificultades. Las teoras fsicas no sondefinitivas, aunque tengan mucho xito como el Modelo Standard.

Otra vez los quarks: el pentaquarkPor lo que vimos, las partculas elementales podran ser caracterizadas como

constituyentes (leptones y hadrones) ymediadoras . Los hadrones hasta ahora conocidos estnformados, como mximo por tres quarks. La novedad es que, recientemente, varios grupos defsicos experimentales han anunciado evidencias de la existencia de una nueva partcula concinco quarks (ms precisamente, cuatro quarks y un antiquark, o sea, un pentaquark querecibi el nombre de+ (teta ms ) (Scoccola, 2004).

No se trata, sin embargo, de una nueva dificultad para la teora, en ese caso laCromodinmica Cuntica, pues no hay en ella nada que impida la existencia de partculas notan simples como las formadas por tres quarks (bariones) o por un par quark-antiquark


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(mesones). En realidad, era hasta extrao que desde la dcada de los setenta no hubiesen sidodetectadas partculas ms exticas que los bariones y mesones.

Para que una partcula sea catalogada como tal, debe tener una vida media (tiempomedio que dura antes de desintegrarse) suficientemente grande como para que d lugar a

efectos que puedan ser observados y medidos en los experimentos (op. cit., p. 39). Pues bien,adems del pentaquark teta ms, nuevos resultados experimentales sugieren la existencia deotros pentaquarks (lo que sera de esperar, pues hay varias combinaciones posibles de quarksy antiquarks). Sin embargo, no todos los investigadores estn convencidos de la existencia delos pentaquarks, pues hay varios experimentos que no encontraron evidencias de esas partculas (op. cit., p. 40). De cualquier manera, la respuesta definitiva sobre si existen o no pentaquarks deber venir de los datos experimentales (ibid.).

Problemas conceptuales y problemas empricos

Para el epistemlogo Larry Laudan (1986), la ciencia es, esencialmente, una actividadde resolver problemas y las teoras cientficas son, normalmente, tentativas de resolver problemas empricos especficos acerca del mundo natural (op. cit., p. 39). Para l, si los problemas constituyen las preguntas de la ciencia, las teoras constituyen las respuestas.

Sin embargo, las teoras pueden tener dificultades internas, inconsistencias. Laudanconsidera tales debilidades como problemas conceptuales .

El modelo de Laudan aconseja preferir la teora que resuelve el mayor nmero de problemas empricos importantes al mismo tiempo, que genera el menor nmero de problemas conceptuales y anomalas (problemas no resueltos por la teora, pero resueltos por una teora rival) relevantes.

Una vez ms podemos usar la Fsica de los Quarks, o el propio Modelo Standard,como ejemplo de cuestiones epistemolgicas. Se trata, siguiendo la lnea de Laudan, de unaexcelente teora porque resolvi muchos problemas empricos; todas las partculas previstasfueron detectadas en rayos csmicos o en aceleradores/colisionadores. Excepto el bosn deHiggs. Sin embargo, los fsicos continan buscando la que contina siendo buscada como partcula mediadora de un nuevo campo, el campo de Higgs, que explicara por qu las partculas tienen masa. Se estn construyendo mquinas para detectar el bosn de Higgs y lamasa es hoy un tpico de rutina de investigacin en Fsica de partculas (Kane, 2005, p. 57).

Quin dira, la masa que en el espectro epistemolgico de Bachelard (1971) empieza comouna apreciacin cuantitativa grosera y vida de la realidad y puede llegar hasta la masanegativa14 es ahora objeto de investigacin en Fsica de Partculas para saber su propioorigen. Un problema emprico fascinante, un gran desafo para el Modelo Standard.

Pero, y el gravitn? Sera tambin un problema emprico serio para el ModeloStandard? Bien, ah el problema parece ser ms conceptual que emprico porque en ese casola teora no consigue incluir la gravedad, es decir, la fuerza gravitacional, una de las cuatrofuerzas fundamentales de la Naturaleza, an no est integrada a la teora cuntica. Es verdad

14Lo que Bachelard llamaba masa negativa, siguiendo la teora relativstica del electrn formulada por Dirac, fueinterpretado ulteriormente como el positrn, la primera de las antipartculas.


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Asociado al cosismo que se le atribuye a las partculas elementales, hay otroobstculo epistemolgico: el choquismo. Las representaciones didcticas de los choquesentre partculas son de choques elsticos entre bolas (mejor bolitas) de billar. Unarepresentacin, por lo menos grosera de lo que ocurre en un acelerador/colisionador de partculas. Para dar significado a la creacin y aniquilacin de partculas en un

acelerador/colisionador es necesario decir no al choque elstico, como el de las bolas de billar. Sin embargo, los libros didcticos y los aplicativos refuerzan esa imagen equivocada.

En resumen, para aprender significativamente el Modelo Standard es necesario decir no a las representaciones pictricas clsicas tan presentes en los libros, en las revistas dedivulgacin cientfica y en las clases de Fsica. Las partculas elementales no son corpsculosy las reacciones y choques entre partculas no son choques elsticos o inelsticos clsicosentre cuerpos muy pequeos.

Conclusin

Este trabajo, as como otros sobre Fsica de Partculas, publicados recientemente en Fsica en la Escuela Ostermann, 2001; Moreira, 2004; Abdalla, 2005 y Helayl-Neto 2005 procuran presentar ese tema de forma accesible a profesores y alumnos.

Pero ser que es posible ensear/aprender Fsica de los Quarks en la EnseanzaSecundaria? En la Enseanza Primaria? En la Enseanza Superior?

Claro que s! En cualquier nivel, siempre que en la enseanza no se refuercen losobstculos epistemolgicos naturales del espritu humano y se diga no a tales obstculos en elaprendizaje. Y que se tenga en cuenta que el aprendizaje significativo es progresivo.

En realidad, no tiene sentido que, en pleno siglo XXI, la Fsica que se ensea en lasescuelas se limite a la Fsica (clsica) que va solamente hasta el siglo XIX. Es urgente que elcurrculo de Fsica en la educacin bsica sea actualizado de modo que incluya tpicos deFsica Moderna y Contempornea, como la Fsica de los Quarks abordada en este trabajo. Elargumento de que tales tpicos requieren habilidades y/o capacidades que los estudiantes deenseanza primaria y secundaria an no tienen es insostenible, pues otros tpicos que seensean, como la Cinemtica, por ejemplo, requieren tantas o ms capacidades/habilidadescognitivas que las Partculas Elementales.

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Agradecimiento

El autor le agradece a los Profesores Eliane Angela Veit y Olival Freire Jr. por larevisin crtica de una versin preliminar de este trabajo. Agradece tambin valiosassugestiones del rbitro de la RBEF que lo revis.

marco antonio moreira - la fisica de los quarks y la epistemologia (2006)

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