Física de partículas subatómicas para niños (I)

Para muchos, la física de partículas es un área reservada a los genios y los eruditos donde los mortales tan solo podemos asomarnos y confundirnos. Pero eso es como decir que no se puede entender el movimiento de una pelota sin saber hacer las integrales que la física requiere. Para todo hay niveles y niveles y lo que hoy os proponemos es una incursión a todos los curiosos a los principios de la física de partículas con claridad y rigurosidad, pero de la forma más simple que se pueda.

Pero antes un poco de historia, que no viene mal. Richard P. Feynman fue un niño genio bastante atípico que pasó con excelencia sus cursos académicos en el MIT y Princeton. Atípico porque era como el resto de gente además de galán con encanto, amante fiel y con una intuición nunca vista para la física. Entre sus hazañas cuentan la participación activa en el proyecto Manhattan y un premio Nobel. Sin embargo el mayor legado de Feynman fue su divulgación de la física desde su puesto de investigador y sus diagramas.

En concreto los diagramas de Feynman son la parte que nos interesa hoy porque nos permiten entender procesos complicados que suceden en los aceleradores de partículas haciendo uso de unos sencillos dibujos. La idea es tan revolucionaria que en un primer momento fue rechazada y no fue hasta varios años después de su presentación, cuando Feynman presentó una demostración matemática rigurosa, que fueron aceptados. Hoy día son la herramienta básica de cualquier físico de partículas.

En general un diagrama de Feynman sigue unas normas básicas en donde existen 3 partes importantes: el estado inicial, el estado final y el propagador.  Las dos primeras partes se explican por sí solas aunque luego veremos más. El propagador sin embargo es la parte compleja. En un artefacto matemático/gráfico para explicar lo puede pasar en medio.

La idea del propagador es que debe representarse como la media de todos los posibles caminos para llegar del estado inicial al final. Es por esto que las partículas que se representan como propagador son virtuales y no cumplen la conservación de energía. Así pues el propagador, que suele ser un bosón, no puede detectarse y sirve para conectar los vértices del diagrama. Veamos algún ejemplo para entenderlo mejor.

En estos diagramas se representa el tiempo en el eje horizontal, avanzando hacia la derecha, y el espacio creciendo hacia arriba. De esta forma el diagrama que se encuentra sobre estas líneas se debe entender como dos partículas que se acercan, “chocan” y salen alejándose. La diferencia con una pelota en el suelo es que aquí el choque se produce mediante un propagador. El que vaya en vertical indica que ni sabemos ni nos importa quién lo emite y quién lo absorbe.

En este ejemplo siguiente vemos una partícula y una antipartícula (su opuesto, por eso lleva la barra encima) combinándose para formar un propagador que luego se separa de nuevo en partícula-antipartícula diferentes a las iniciales. Esto se llama proceso de aniquilación y creación de pares. Y no hay más. Los diagramas de Feynman (de primer orden) son los que véis y posibles combinaciones. Y sabiendo lo que acabamos de contar se puede entender qué está pasando en casi cualquier proceso.

La gran ventaja de los diagramas de Feynamn es que con la sencillez que acabamos de ver, mantienen aún todo el significado físico. De hecho con los diagramas de Feynaman se pueden calcular las probabilidades de que se den cada uno de los procesos incluyendo otros más complicados en los que existen más de 2 vértices. Básicamente, cuantos más vértices y más débil la fuerza que actúa (depende del propagador) menos probable es el proceso.

Y ahora, ya que hemos acabado os animo a revisar publicaciones como esta nuestra, o algunos artículos más avanzados y comprobar que con una tabla de partículas (para saber cuales interaccionan), podréis entender de lo que hablan, hasta sin leerlo. Incluso podéis fardar delante de esa rubia (o rubio) preciosa y conquistarla con unos garabato rápidos y unos pocos propagadores, os prometo que funciona 😉