Masterclass sobre Física de partículas

By: Álvaro Carrizosa Muñoz

El pasado martes día ocho de noviembre de 2016 tuvo lugar una masterclass interactiva acerca del mundo cuántico, de esas partículas que constituyen el átomo y cómo interactúan entre ellas. Tuvo lugar en el IES Ramiro de Maeztu y entre los ponentes de la charla inicial cabe destacar al Doctor Carlos Roberto Pena Ruano, el cual nos deleitó con su conocimiento acerca de este mundo subatómico.

Lo primero que hay que tener claro es que la mecánica cuántica no sigue las mismas reglas de la mecánica clásica. Así, cuando nos encontramos con partículas tan pequeñas pueden surgir propiedades asombrosas como la superposición o el entrelazamiento. Carlos nos habló de las distintas interacciones que podían presentar las partículas en este universo: la interacción gravitatoria, la nuclear débil, la nuclear fuerte y, por último, la interacción electromagnética. La primera es una interacción que no afecta apenas en el mundo cuántico ya que es una fuerza que puede ser vencida con facilidad, por tanto, es despreciable cuando hablamos de fuerzas dentro de un átomo.

A continuación se nos habló de las partículas que constituían un átomo. Aprendí que había tres generaciones de la materia llamadas fermiones, cada una con mucha mayor masa que la anterior pero con las mismas propiedades. Lo cierto es que el átomo no está vacío, como se nos enseña en el instituto. Éste está lleno de partículas que interactúan entre sí. En el caso de los protones y los neutrones, estos están constituidos por tres quarks que pueden ser up o down en la primera generación. Los bosones, es decir, las fuerzas que los unen pueden ser fotones o gluones. Los leptones son las partículas que constituyen a los electrones y sus fuerzas (fuerza débil) puede ser de tipo Z o de tipo W. Así, dependiendo del tipo de fuerza, al interactuar dos de estas partículas entre sí se generaría otro tipo de partículas, como por ejemplo el muon.

Una vez dicho esto,  hablaron del LHC, cuyo propósito era ver qué partículas surgían cuando interactuaban dos partículas cuando viajaban a una velocidad muy cercana a la de la luz. Estas partículas con tanta velocidad se movían por unos conductos circulares en direcciones opuestas. Se puede predecir el momento exacto en el que van a interactuar y, como es tan pequeño el tiempo en el que interactúan, se colocan sensores que, como si fuera un microscopio, nos dicen qué ha pasado al interactuar dos partículas. Estos sensores están constituidos por tres cámaras cada una diseñada para atrapar a un tipo de partículas dependiendo de la carga. Al observar las líneas que deja la partícula y el punto de la cámara donde muere podemos deducir de qué tipo de fermión se trataba.

Pues bien, los alumnos presentes teníamos que hacer una actividad típica de los físicos teóricos. Se nos dio un programa que mostraba 50 diferentes imágenes, cada una con sus correspondientes datos, que correspondían con 50 casos de interacciones dentro de un LHC. Lo que veíamos eran las marcas que dejaban las partículas originadas al colisionar para deducir si se trataban de partículas W+ o W. También estábamos buscando una partícula muy singular llamada partícula de Higgs o bosón de Higgs. Esta partícula elemental explica el origen de la masa de las otras partículas elementales y, aunque fue predicha en los años sesenta por Peter Higgs, no fue hasta hace tres años que fue descubierta y observada. Se nos dio una serie de pautas y valores que tenían que cumplir los datos para concluir si se trataba de un tipo de partícula o de otro, entre ellos, el ángulo que había entre las partículas originadas.

Por último compartimos los resultados y los recogimos en una tabla. La mayoría de los resultados eran ruido (background), lo cual significa que no daba ninguna partícula, no se sacaba ninguna información de esos resultados. Lo que sí que pudimos ver es que había un número considerablemente mayor de partículas W+ que de W. La razón de esto se debe a la carga de los quarks que constituyen los protones. Los protones están formados por dos up (carga positiva) y un down (carga negativa). Es por eso que estadísticamente obtuvimos esos resultados. De acuerdo con mi modelo, yo obtuve 29 imágenes que se correspondían con ruido, 12 que eran W+ y 7 que eran W, lo cual era un resultado esperado. Por desgracia y aunque estuve muy expectante, no pude tener constancia de ningún bosón de Higgs, pero esto es normal ya que estadísticamente este suceso es improbable al tener en cuenta 50 modelos.

Al conjuntar la información de todos los alumnos en una tabla global y compararlo con un modelo real en el que se habían analizado 60000 imágenes obtuvimos un modelo muy parecido al que habían obtenido los verdaderos físicos teóricos. Fue sorprendente saber que nuestros datos tuvieran un 98% de éxito  con respecto al modelo real. Lo único en lo que no coincidimos fue en el número de bosones de Higgs observados, ya que es una partícula muy especial y a menudo puede llevar a confusión con otro tipo de partículas.

Personalmente creo que este taller fue muy instructivo y me enseñó mucho acerca de la física cuántica. Los profesores que hablaron y nos enseñaron todas estas cosas me parecieron magníficos. Me hicieron entender algo tan complicado como es la física cuántica de una manera muy simple y con ejemplos cotidianos además de proporcionar un rato agradable y ameno a los oyentes.

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