Física y Quimica

Premios Nobel de Física 2004

Premios Nobel

 

 

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

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    Premio Nobel de Física 2004

¿Cuáles son las pequeñísimas partículas que forman la estructura de toda la materia? ¿Cómo se construye, a partir de ellas, todo lo que podemos ver a nuestro alrededor? ¿Qué fuerzas actúan en la naturaleza y cómo se comportan?

Este año el Premio Nobel de Física se ocupa de estas cuestiones fundamentales. Son problemas que han ocupado a los físicos durante todo el s. XX y que aún siguen desafiando a los experimentadores y teóricos que trabajan en el campo de las altas energías.

Frank Wilczek.

H. David Politzer

Frank Wilczek

"por  el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte"

David J. Gross (1941). U.S.A 

H. David Politzer (1949). U.S.A.

Frank Wilczek. (1951). U.S.A. 

Actualmente se sabe que existen en la naturaleza cuatro fuerzas (o interacciones en lenguaje más técnico):

  • La interacción nuclear fuerte, que es la que mantiene  ligadas a las partículas en el interior de los núcleos. La más poderosa de las cuatro. Decrece muy rápido cuando aumenta la distancia. Prácticamente inapreciable a distancias superiores al diámetro de un protón (10 -13 cm).

  • La interacción electromagnética, la que existe entre partículas con carga eléctrica. Su intensidad es una centésima parte de la interacción fuerte. Decrece con el cuadrado de la distancia y es la que mantiene a los electrones ligados a los núcleos.

  • La interacción nuclear débil, responsable de las desintegraciones de los núcleos atómicos. Intensidad: 10 -14 veces la de la interacción fuerte.

  • La interacción gravitatoria, responsable de la atracción entre cuerpos materiales. Es apreciable cuando la masa de los cuerpos es elevada (planetas, satélites...), sin embargo si consideramos las partículas atómicas es extremadamente débil. Al igual que la interacción electromagnética decrece con el cuadrado de la distancia y es la interacción que mantiene ligados los cuerpos celestes. Es la más débil de todas (su intensidad es 10 -39  veces la de la interacción fuerte)

Gross, Politzer y Wilczek han realizado una importante contribución teórica a la interacción fuerte. En 1973 publicaron las teorías que este año han sido galardonadas con el Premio Nobel. En su trabajo desarrollan una elegante teoría matemática con la que explican cómo la intensidad de la interacción fuerte decrece cuando las partículas están cerca y crece cuando se alejan. De acuerdo con esto las partículas se comportan como si estuvieran unidas por una goma elástica que "tira" de ellas cuando tratan de separarse y que apenas se nota cuando están cerca. A corta distancia parece que las partículas  estuvieran libres. Sus autores bautizaron a esta teoría con el nombre de libertad asintótica.

Desde 1960 se sabe que el protón y el neutrón están formados por otras partículas más pequeñas denominadas quarks, pero no ha sido posible aislar  dichos quarks. Solamente agregados de quarks, dos o tres, son conocidos. Así, por ejemplo, un protón está formado por tres quarks: dos tipo u y uno tipo d. Los quarks u tienen carga + 2/3 (de la carga del electrón) y el quark d -1/3 (observar que la suma algebraica de la carga eléctrica da + 1, o lo que es lo mismo igual carga que el electrón, pero positiva).

En 1965 Tomonaga, Schwinger y Feynman fueron galardonados con el premio Nobel de Física por el desarrollo de la Electrodinámica Cuántica (QED). En los cálculos aparece una constante, a, llamada constante de acoplamiento cuyo valor (1/137) es bastante más pequeño que 1, gracias a la cual se pueden calcular con gran precisión efectos derivados de la interacción electromagnética entre las partículas que forman el átomo.

¿Podría conseguirse algo similar (la descripción matemática) si consideramos la interacción existente entre los quarks (interacción nuclear fuerte)? Durante muchos años los científicos consideraron que esto no era posible, ya que se necesitaba considerar un valor de la constante de acoplamiento superior a la unidad y en estas condiciones el método de cálculo desarrollado por Feynman no podía ser utilizado.

En junio de 1973 y en dos artículos casi seguido aparecidos en la revista Physical Review Letters, Gross , Wilczec  y Politzer asombraron al anunciar que la constante de acoplamiento podía tener un valor negativo, consecuencia de lo cual era que la fortaleza de la interacción aumentaba muy rápidamente al aumentar la distancia entre las partículas. Esto significa que si se tratan de separar dos quarks la fuerza que tiende a unirlos aumenta exponencialmente haciendo imposible su separación física. Sin embargo, cuando están muy juntos, la fuerza se hace tan pequeña que los quarks se asemejan a partículas libres. Por la naturaleza de la función matemática que describe el fenómeno bautizaron a su descubrimiento con el nombre de libertad asintótica (asymptotic freedom). El concepto de libertad asintótica ha sido desarrollado en la Cromodinámica Cuantica (QCD) dando resultados en excelente acuerdo con las mediciones realizadas.