CAPÍTULO 3 - 2.3.Física de partículas : Fenómenos microscópicos cuánticos (colisiones de alta energía).
*Introducción : El acelerador LHC (su fundamento y componentes).
The Long Hadron Celerator o acelerador largo de hadrones del CERN europeo cerca de Ginebra o el acelerador del laboratorio Fermi de Chicago en EEUU , son dispositivos técnicos altamente complejos que tienen como objetivo analizar las estructuras internas de las partículas y los procesos que existen en ellas. Para ello,se lanzan partículas a altísimas energías (se trata de Física de altas energías y de partículas fundamentales) unas contra otras (las acelera previamente) y tras el choque se analizan los productos (en detectores de partículas).Consta de un generador de cargas consistente en un ionizador de átomos (sobre todo de hidrógeno) donde se separan los protones de los electrones o de un productor de antipartículas por colisiòn de partículas previas (al colisionar protones, se producen bosones que se desdoblan en partículas y en antipartículas ). Las partículas generadas son aceleradas por campos eléctricos basándose en la fuerza eléctrica Fe = q E =ma con aceleración a=(q/m)E , acelerándose a lo largo de un tubo de conducción donde se encuentran tales campos eléctricos. Si el tubo es recto tendremos el antiguo LINAC (acelerador lineal) pero si tenemos un tubo circular donde darían miles de vueltas por segundo alcanzando mayores velocidades, tendremos un acelerador largo y cíclico. Para doblar o torcer el movimiento de las cargas eléctricas en circulación se utilizan campos magnéticos que provocan leves movimientos circulares de radios dados por Fm=qVB=mV2/R , R=mV/qB . Acelerando tangencialmente las cargas por E y acelerándoles centrípetamente por B, se logran, tras miles de vueltas, velocidades cercanas a la de la luz. Tras la colisión frontal de haces de estas partículas, se producen bosones instantáneos que pueden materializarse en pares partículas /antipartículas de altas masas-energías que duran un tiempo muy pequeño para desintegrarse en otras más estables de menor masas y así en una cascada de desintegraciones y desembocar en las partículas estables tanto materiales como antimateriales. Estas se detectan en los detectores (Alice) donde se tienen registro de tales productos tanto en posición, velocidad, tiempo de desintegración, etc, siendo un material muy útil para estudiar el microcosmos más pequeño de la naturaleza. En tales detectores se aplican campos magnéticos para detectar, según el sentido de giro, el signo de la carga eléctrica (sino se detectan es porque son partículas neutras como los neutrinos y fotones ; las cargas positivas giran en un sentido y las negativas en el otro).Según la traza que dibujen se averigua la velocidad y tiempo de desintegración( si la traza es mayor, el tiempo de desintegración es mayor junto a su velocidad).Si el radio de la trayectoria es mayor , dentro del campo magnético B, significa que la masa de la partícula es mayor.
a)Las leyes de la física de partículas :Principios de conservación y de dispersión. Aplicación de campos magnéticos-eléctricos (detección).
En unos dispositivos ionizantes se separan los protones de los electrones en los átomos neutros (ejemplo, hidrógeno).Luego, estas partículas se lanzan en haces (haces muy pequeños pero aún así se tratan de paquetes de millones o billones de partículas) a través de campos eléctricos en línea (acelerador LINAC) o en círculos (acelerador HLC) conducidos por campos magnéticos que giran ligeramente tales haces para formar círculos enormes y de gran frecuencia (en HLC de Ginebra, 30 kms de longitud dando miles de vueltas por segundo) alcanzando velocidades próximas a la de la luz. Cuando un par de haces de partículas se cruzan en el camino para la colisión se producen una multitud de colisiones de todo tipo de orientaciones , desde colisiones frontales hasta laterales. Estas colisiones tienen lugar en el interior de unos detectores que registran las trayectorias de estas partículas iniciales y de las partículas finales. El signo de la carga de cada partícula se detecta según el sentido de torsión de la curva de sus trayectorias (debido a un campo magnético existente en el lugar)y la masa de cada partícula, a través del radio de curvatura de la misma (también del valor del campo magnético, de las conocidas masas de las partículas iniciales como el electrón o del protón y de las velocidades iniciales conocidas por los campos eléctricos o magnéticos del acelerador). En tales colisiones se cumplen todas las leyes de la física como los principios de conservación de la cantidad de movimiento, de la masa-energía relativistas y de la carga eléctrica. En las colisiones, la naturaleza dispersa materia y energía de la forma más eficiente de tal forma que mucha energía y materia condensada en un punto, en el punto de colisión, se dispersa en todas direcciones. Como se vio en un apartado anterior, en las colisiones las partículas iniciales con la masa-energía que portan se evacuan o dispersan en todas direcciones aunque siempre con las restricciones de las leyes anotadas anteriormente. En dichas brutales colisiones en poco espacio y poco tiempo, intensísimas repulsiones, la energía mecánica inicial de cada pareja de partículas en colisión sufre un descenso brusco, transformándose en un bosón que se evacua a la velocidad lumínica, pero si su energía alcanza a la materialización, se transforma en nuevas partículas (la energía se ha transformado en partículas, en masa material que es la forma de energía más condensada y existente en reposo). Poco después, los pares de partículas formados (partícula y su simétrica, antipartícula) que contengan altos valores de masa/energía, decaen casi instantáneamente o desintegran en otras de menor contenido e igual carga eléctrica, emitiendo neutrinos. Naturalmente, las antipartículas son aniquiladas rápidamente.
Figura nº 16
b)Transformación de bosones : Materialización en pares partícula/antipartícula.
Bosones creadores de materia (su masa/energía y sus productos ) : Bosón espacial H.
Los rayos cósmicos.
¿Qué papel juega la supuesta partícula H o bosón H entendiendo como tal a la creadora de partículas materiales fermiónicas (con carga)? ¿Se trata de un fotón de alta energía que debe tener como mínimo una energía equivalente a la masa en reposo de ambas partículas materializadas, es decir, E mínimo = 2 Me C2? Se dice como mínimo porque después de generarse deben separarse venciendo la fuerte atracción eléctrica desde la mínima distancia física o distancia de Planck, hasta dejarlas independientes. El proceso es paralelo si tenemos un fotón 1860 veces más energético que el anterior para materializar protones y antiprotones. El nombre de partícula H, se debe a que la “H castellana” es muda y esta partícula es nula de carga, no tiene presencia al ser la partícula más inestable de la física , no llega a desplazarse, es una partícula en el espacio pero no en el tiempo, y solamente tiene existencia de mínima duración pero con gran energía, la suficiente para , al menos, generar partículas (con poca energía, partículas como los neutrinos o electrones, a más energía como protones y otras más másicas pero altamente inestables) .Cuando dos protones a altísimas energías como las que consiguen los aceleradores modernos de partículas chocan frontalmente ( y debe ser frontalmente, porque sino, lo único que se consigue es dispersarlos por repulsión electrostática) , los protones resultantes siguen conservando su identidad al ser partículas estables, tienen una energía muy inferior a las iniciales y ese defecto de energía o defecto de masa equivalente, ¿en qué se ha transformado? . Si ese defecto de energía no alcanza a la masa mínima de una partícula estable como el electrón, se transformará en fotones de alta energía (producción de rayos X o gamma);contrariamente , si alcanza para materializar a un electrón junto a su positrón (la materialización es un fenómeno simultáneo de creación de materia y antimateria) , y algo más de energía para separarlos, entonces, hemos creado materia a partir de los protones originales en colisión. A medida que el defecto de energía/masa sea superior en las colisiones mencionadas , las partículas creadas poseerán masas mayores. Otra cosa es que estas partículas recién creadas sean más o menos estables, asunto que no se trata en este artículo. ¿Dónde está la partícula creadora de masa o de partículas? A medida que las partículas se van acercando hacia la colisión, la zona del espacio comprendida entre tales partículas se va reduciendo a la vez que la energía mecánica del sistema se conserva por el momento .Mientras la aceleración o el campo gravito-eléctrico no sea muy intenso, se conservará la energía mecánica siendo un proceso continuo clásico. Pero cuando las distancias son muy reducidas, los campos son mucho más intensos, las partículas rompen la conservación de la energía mecánica clásica y salta su valor hacia uno inferior (fenómeno cuántico) , produciéndose en su centro de masas una partícula bosónica de energía :Si su contenido energético no alcanza a transformarse en masa de dos partículas materiales , se convertirá en dos bosones iguales y opuestos ;pero si hay energía suficiente para generar partículas materiales formará dos ,partícula y antipartícula, y en tal caso decimos que el bosón formado en el centro de masas, se denomina bosón H generador de partículas materiales(de duración instantánea por su altísima inestabilidad). Un ejemplo natural de la materialización de los bosones en pares de partícula/antipartícula lo encontramos en los “rayos cósmicos”. Protones excelentemente energéticos provenientes del espacio (pueden provenir de nuestra estrella Sol o más probablemente ,dada su enorme energía, pueden provenir del exterior del sistema solar como por ejemplo de quásares con grandes energías cinéticas )que al llegar a la atmósfera terrestre chocan contra nuestros protones (exactamente igual que en los aceleradores de partículas) , transformando parte de la energía mecánica en un bosón H instantáneo que automáticamente se descompone en dos partículas, una positiva y una negativa. Los protones iniciales colisionados siguen su camino pero más lentamente y la pareja recién formada se descompone por su alta inestabilidad en partículas de la misma carga pero con menor energía y más estables. En sus descomposiciones emiten neutrinos estables y tal serie de desintegraciones desemboca al final en protones y electrones que se integran en nuestra atmósfera. Los positrones y antiprotones que puedan formarse se aniquilan con los correspondientes electrones y protones que encuentren , dando nuevos pares de fotones que se dispersan generando nuevos efectos (calentar la atmósfera, ionizarla, etc). Un ejemplo de cascada de desintegraciones es la siguiente : Cuando dos protones colisionan, uno de rayo cósmico y otro de nuestra atmósfera, se producen partículas lambda que se descomponen en piones y protones, los piones en muones y estos en electrones ; también pueden producirse kaones que se descomponen en muones y piones (al final, en electrones y positrones) y en todos los casos anteriores, con la producción de neutrinos diversos.
Figura nº 17
c)Desintegración de partículas altamente energéticas, inestables o exóticas: Generación de la materia y la antimateria estables (fundamento).
En la materialización de un bosón instantáneo H muy energético aparece un par de partículas (material y antimaterial) que concentra energía interna expresada en su masa interna o propia en un punto espacial y energía mecánica externa por la cual se separan. La energía mecánica externa hace mover a ambas partículas en el espacio-tiempo haciendo transmutar energías cinéticas en potenciales interactivas mientras que la energía-masa internas evolucionan desde estados muy inestables por exceso hasta estados más estables, descomponiéndose en partículas cuyas masas-energías están más cerca de las estándares estables del protón y del electrón. En tal cambio, emiten partículas neutrinos y se transforman en partículas de la misma signatura o carga eléctrica pero de menor masa-energía. Presenta una serie de desintegraciones y cada una con un tiempo de desintegración cada vez más largo debido a la mayor estabilidad conseguida hasta la consecución de las partículas estables de tiempo de desintegración infinito (hasta ahora se cree que el protón y el electrón y sus antipartículas tienen un tiempo infinito de desintegración, mientras no se aniquilen mutuamente). La Figura nº 18 a y la Figura nº 18 b , muestran un esquema con las desintegraciones de partículas conocidas tanto en los rayos cósmicos que nos llegan del espacio y chocan con la atmósfera terrestre como las obtenidas en el colisionador de hadrones. Las primeras partículas de mayor masa-energía se conocen con el nombre de “Hiperones”(partículas sigma, omega, Xi, lambda ,etc, de diversa carga eléctrica) que emiten neutrinos dando lugar a otras partículas positivas , negativas o neutras, cumpliéndose las leyes de conservación de la cantidad de movimiento, energía-masa (masa y energía cinética) y carga eléctrica. Las series de desintegraciones pueden desembocar al final en las partículas estables del protón y del electrón y sus antipartículas constituyendo sus respectivas “series del protón y del electrón”, que formarán la materia ordinaria y la antimateria, amén de la materia oscura formada por los neutrinos. En tales figuras se expresan las partículas hiperones junto al protón y el neutrón que constituirán la materia ordinaria (idem en la antimateria) de grandes masas, después las partículas de masas medias o mesones (kaones, piones ,rho ,etc) y leptones de masas medias como los muones junto a los electrones estables, todo en orden de masas-energías internas(en masas electrónicas) y en orden de cargas eléctricas (negativa, positiva y nula) en cargas cuánticas electrónicas. Las flechas indican las transformaciones, los puntitos, los tipos de neutrinos que expulsan y los indicadores i, ii, iii, indican los tiempos de desintegración medios o estadísticos que van desde centésimas de microsegundos (i), billonésimas de segundo(ii) y trillonésimas de segundos o menos (iii), indicando su grado de estabilidad. A las partículas anteriores hay que añadir la mayor partícula obtenida en el laboratorio que es la partícula tauón que se desintegra en kaones, piones y muones hasta desembocar en el electrón o el positrón , expulsando neutrinos muy pesados (neutrino tauónico con masa de 200 electrones) . Para conseguir partículas materiales de mayor masa-energía internas se necesitan dispositivos de mayores energías en el choque de protones en el HLC pero con cada vez menos estabilidad , menos tiempo de duración y deja menos traza de movimiento en los detectores. Los valores de la física de partículas de estas partículas “exóticas” están limitados: La máxima energía concentrable en un punto para generar una partícula es la “energía de Planck”,la máxima velocidad registrable es la velocidad de la luz C y el mínimo tiempo registrable (aquí sería el tiempo instantáneo no transcurrible) es el tiempo de Planck. Desde las partículas que en el laboratorio o en los rayos cósmicos se han detectado, hasta estos valores límites, existe un enorme vacío denominado “intervalo inexplicado en el diagrama de Planck de la energía-masa”. Solamente en el nacimiento del Universo (en la esfera de bosones originales) se han logrado formar partículas de tan fantástica energía que luego se han ido desintegrando y poblando los espacios del Universo
para formar en el futuro tanto la materia(ordinaria, antimateria y materia oscura) como la energía del mismo(energías cinéticas, potenciales interactivas y radiativas de todo tipo, desde electromagnéticas, gravitatorias, bosones nucleares). En la desintegración con productos finales, se cumplen dos grandes condiciones respecto al espacio y respecto al tiempo : Respecto al espacio,
se cumplen las leyes de conservación de la cantidad de movimiento y la energía total, las partículas se dispersan en todas las direcciones que permiten tales leyes (es la indeterminación en la dirección de la velocidad de los productos) ; respecto al tiempo, el momento de la desintegración para una partícula dada es indeterminado pero, estadísticamente , las partículas se desintegran grupalmente y temporalmente, en un tiempo promedio denominado “tiempo de desintegración o vida media” (o bien, a través del periodo de semidesintegración) en leyes estadísticas análogas a la ley radiactiva de Rutherford.
- La serie del electrón/positrón - La serie del protón/antiprotón .
Las desintegraciones de las partículas exóticas o de alta energía e inestables desembocan en las partículas estables del electrón, positrón, protón, antiprotón y la serie de los neutrinos. Se denomina “serie del electrón” (idem del positrón) a la cadena de desintegraciones desde las partículas más pesadas hasta llegar al propio electrón(positrón) ; análogamente, para el protón (y el antiprotón).
Figura nº 19
Los esquemas de desintegraciones expresados en las figuras 18 y 19 pueden ser expresados de otra manera en los denominados “espectros de desintegración de las partículas exóticas” donde se representan cada partícula (lambda, xi, omega, etc) con los productos finales de sus cadenas de desintegraciones hasta las partículas estables.
-La producción de neutrinos/antineutrinos.
En el transcurso de las desintegraciones de partículas de alta energía-masa internas tales partículas se transforman en otras de menor energía-masa y más estables (pasan de desintegrarse en cortísimo tiempo a desintegrarse de nuevo en más tiempo) mientras que en cada paso expulsan partículas neutras llamadas “neutrinos” que llevan consigo masa-energía y cantidad de movimiento dispersándose por todo el espacio sin interaccionar posteriormente de modo importante con las demás partículas con las cuales mantienen un nexo gravitatorio por lo que tales partículas “rondarán muy leve y gravitatoriamente” alrededor de las primeras (estos fermiones neutros se encuentran en los alrededores de aquellos fermiones con carga gracias a la gravedad).El fenómeno de la producción de neutrinos se realiza desde el primer momento de la formación del Universo a partir de la primera partícula inestable que proviene del primer bosón original y, al tener grandísimas masas-energías, expulsan en todas las series de desintegraciones, neutrinos de gran masa como son los neutrinos tauónicos (200 electrones de masa) y en intervalos de velocidades desde el reposo (neutrinos inertes que se mantienen muy próximos a los fermiones de carga) a neutrinos muy veloces que escapan fácilmente al exterior. Esta producción de neutrinos de gran masa y gran velocidad (en definitiva, de gran masa relativista, gran energía y gran cantidad de movimiento), pueblan los espacios intermateriales constituyendo una importante masa invisible (los neutrinos son ópticamente invisibles al ser insensibles a los fotones) que cuenta de forma importante en la masa total del Universo. De forma análoga, podemos hablar de los antineutrinos que se emiten en la desintegración de las antipartículas exóticas inestables paralelas a las anteriores. Dado el carácter eléctricamente neutro de los neutrinos, actúan de forma indiferente frente a los fotones pues ni los absorbe/ceden ni los fotones hacen oscilar a los neutrinos (los fotones solamente actúan siendo absorbidos/emitidos por pares de cargas eléctricas de signos contrarios, por este fundamento físico, la materia y la antimateria se hacen ópticamente visibles) constituyendo el mejor candidato dentro del modelo estándar de las partículas fundamentales para ser la base cuántica de la materia oscura. Por otra parte, la materia oscura debe ser eléctricamente neutra y no debe estar constituida de partículas compuestas de partículas positivas o negativas como la materia ordinaria porque sino sería sensible a la luz, formando imágenes ópticas. Aún así sí tiene efectos gravitatorios a gran escala como ya veremos en el apartado correspondiente a la materia oscura.
El neutrón es una partícula de carga global cero y de masa un tanto mayor que el protón. Mientras se encuentra en los núcleos atómicos aparenta ser una partícula neutra fundamental , sin embargo, fuera del núcleo se descompone costosamente con un tiempo medio de descomposición de unos 15 minutos. Se descompone precisamente en las partículas estables absolutas del electrón y del protón, que sí son partículas fundamentales. Por ello, en el modelo que se sigue en estos textos, el neutrón es una partícula compuesta de un electrón y un protón a la distancia clave de confinamiento de las fuerzas nucleares débiles (distancia protón-electrón de menos de 1 Fermi ). Los neutrones se originaron en el origen del Universo cuando las partículas altamente energéticas empezaron a desintegrarse en las de menor energía y más estables como las partículas sigma que dieron lugar a neutrones o a protones que se unieron estrechamente a electrones. Los neutrones sobrevivieron a su propia desintegración (el neutrón libre se desintegra costosamente pero se desintegra) ya que pronto se formaron los primeros núcleos atómicos (núcleos diversos del hidrógeno, del helio y del litio) y gracias a las atracciones intranucleares, tales neutrones adquirieron la suficiente estabilidad. Inversamente, electrones que colisionan con protones en un proceso denominado “captura electrónica”, pueden formar neutrones .La gran compacidad de los núcleos (véase la interacción fuerte y la dinámica nuclear) provoca que los neutrones hayan sobrevivido en la dinámica microscópica a lo largo de la historia natural. El neutrón puede considerarse el segundo núcleo del mundo nuclear siendo el primer núcleo el protón aislado (infinitamente estable por sí mismo) , o bien, puede considerarse el átomo de nº atómico z=0 y de nº másico A=1 , y por tanto, sin electrones corticales o atómicos.
n…….p + e + v (desintegración neutrón) ; p + e….. n (captura electrónica)
El primer proceso se produce en neutrones libres donde se dispersan las partículas y el segundo proceso se produce en lugares de colisión de energías concentradas como en el origen del Universo.
-Aniquilación de pares: Transformación de fermiones en bosones.
Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula toda la energía de este sistema de dos partículas se transforma en energía radiativa (cinética pura) correspondiente a dos bosones o fotones de alta energía (tanto su energía interna como sus energías mecánicas externas se transforman en energía puntual que se evacua a V=C, perpendicularmente a la línea de unión de las partículas originales, en direcciones opuestas y desde su centro de masas).La aniquilación de pares partícula/antipartícula es un fenómeno que cierra el conjunto de las transformaciones en la naturaleza ya que transforma las partículas materiales o fermiónicas en partículas radiativas o bosónicas complementarias y donde la masa inercial de reposo (forma de energía concentrada en la partícula fundamental internamente) con su e. cinética se transforman integralmente en energía cinética pura con cierta “masa relativista de movimiento” y a la velocidad límite natural “C”. Para que dos partículas se aniquilen mutuamente deben ser simétricas en el sentido de que deben tener la misma masa interna o de reposo pero carga eléctrica igual y opuesta en signo: P+ + P- … 2 Y Es decir, una partícula con su antipartícula originan dos fotones de altísima energía donde se conserva la cantidad de movimiento, la masa relativista y la energía total, así como la carga eléctrica. En cuanto a la energía, 2Mo/Raiz(1-V2/C2) = 2M C2 Cualquier otra pareja de partículas no logra la aniquilación pues para ello hace falta que la masa sea igual y las cargas opuestas (en otras parejas de partículas solamente se lograría la formación de neutrones, núcleos , átomos, colisiones repulsivas o colisiones Compton; véanse colisiones). La masa es un valor cuantitativo mientras la carga es un valor cualitativo .Desde el punto de vista de estas dos propiedades, en el proceso de aniquilación, las dos partículas se van acercando y la masa con signo negativo en su carga va neutralizando a la masa con signo positivo en su carga hasta que en la exacta igualdad de sus masas quedan totalmente neutralizados y aniquilados, o mejor, transformados en las dos partículas complementarias, es decir, el par de bosones o fotones neutros que se van partiendo del centro de masas perpendicularmente a la línea de colisión , en cualquier dirección dentro de ese plano perpendicular. Desde el punto de vista de la energía, las dos partículas (positiva y negativa) van acercándose desde la lejanía aumentando su energía cinética (y su velocidad), disminuyendo su energía potencial eléctrica (y disminuyendo su distancia), mientras que ,por ahora, su energía mecánica ( y total )se va conservando. Cuando la cercanía es suficientemente reducida los campos eléctricos y las fuerzas implicadas son tan intensas que el fenómeno deja de ser continuo y la energía total no se conserva sino que el sistema de dicho par de partículas sufre un “salto cuántico en su energía mecánica y total”. En el punto vacío de su centro de masas de energía cero se produce una fluctuación cuántica de energía: 0 = -(Eo – Ef) + 2 Ey .
Aparece un nivel de energía negativa que es el –(Eo-Ef) pero esta vez Ef=0 ya que ambas partículas no solamente no tienen energía mecánica sino que no tienen energía interna pues se “aniquilan”, apareciendo los fotones en sustitución (Ey) con su nivel de energía positiva equivalente. Los fotones se van a la velocidad V=C, en direcciones opuestas entre ellos y perpendiculares a la recta de unión de las partículas originales. Figura nº 20 Desde el punto de vista cinemático-dinámico, mientras se acercan dichas partículas, van adquiriendo mayores velocidades cercanas a C , menores distancias, mayores fuerzas y las aceleraciones se van acercando a la nulidad relativista. Toda la energía potencial se transforma en cinética. Pero si se acercasen indefinidamente a r=0, la energía potencial tendería a menos infinito y la energía cinética a más infinito mientras que (relatividad) la velocidad se aproxima a la V=C , prohibitivo para fermiones. Las fuerzas y los campos eléctricos tenderían a infinito. Estos valores son prohibitivos en la realidad física por lo que la consecuencia, preestablecida por las leyes naturales, es la transformación de fermiones de masa de reposo y velocidad menor que C, en bosones de masa de reposo nula pero viajan a V=C. Aquí, un proceso físico continuo relativista es sustituido suplementariamente por un proceso discontinuo o cuántico (la física cuántica, una vez más, es complementaria de la relativista, en procesos de cambios bruscos de energía evitando la irrealidad de los infinitos). También, ocurre que las cargas se autocancelan para dar dichos bosones neutros. Solamente se mantiene la inercia y la gravedad propias de toda partícula física ya sean fermiones o bosones. Además, las leyes físicas prevén la imposibilidad de que dos partículas fermiónicas ocupen el mismo lugar (condición de Pauli, fuerza de Pauli) no permitiendo los valores infinitos de fuerzas o energías. Mientras dos partículas se van acercando para su aniquilación, el campo eléctrico conjunto de ambos en la lejanía se va anulando hasta anularse completamente en todo el espacio en el momento de dicha aniquilación mutua.
-Fluctuaciones cuánticas : Generación de bosones a partir de puntos vacíos y su posterior transformación en pares por materialización.
El espacio tiene un potencial inercial dado por V=C2 = E/M ,descubierto por A. Einstein, que es constante y uniforme. Allá donde haya un salto de energía mecánica instantáneo derivado de un proceso no continuo o cuántico , la diferencia de energía mecánica se evacua en tiempo mínimo (Planck) no nulo pero a velocidad no infinita (V=C). La energía que se genera es el cuanto o fotón (en general bosón) que equivale a la diferencia de e. mecánica que se ha producido en el sistema (en caso más sencillo, par de cargas eléctricas) según la conservación de la energía total y se mueve en cierta dirección según la conservación de la cantidad de movimiento. Un fotón está potencialmente en todos los puntos del espacio (se denomina en física cuántica, fotón potencial o virtual) con e. potencial inercial de V=C2 = 9 exp(16) julios/kg. Si en cualquier punto se produce un salto cuántico de la energía mecánica (o total) del sistema entonces se separa la materia pura (fermiones) de la energía pura (bosones) , dejando a la primera con menos energía mecánica (o total )y surgiendo la segunda del “centro de masas “ del sistema , como una partícula radiativa en la dirección (porque la velocidad está fijada por ley ,C, así como su contenido según el principio de conservaciónde la energía) justa para conservarse la cantidad de movimiento. Los bosones se originan por fluctuación cuántica de un punto vacío formados por un proceso cuántico donde la energía mecánica (cinética y potenciales gravitatorias, electromagnéticas o energías nucleares ) de un sistema de partículas baja. La energía del punto vacío es nula pero cuando un sistema de cargas eléctricas varía su energía electromecánica (ejem. salto del electrón de un nivel a otro; choque frontal de protones, oscilaciones de protones y electrones en el núcleo atómico ,etc) por un proceso cuántico (campos muy intensos microscópicos) en el centro de masas del sistema de cargas (que es un punto vacío) , se genera una partícula localizada en tal CM , con la misma energía que la pérdida de energía mecánica o electromecánica del sistema, pero sentido opuesto: Vacío = Pérdida salto E. mecánica + Bosón (cualitativamente) . Es decir ( cuantitativamente) , 0 = - (Emf – Emo ) + Ebosón (= h f = mC2)
El punto de vacío sigue teniendo energía nula , el sistema de partículas ha perdido energía y se ha generado una partícula nueva sin ser partícula material (masa interna nula) que se traslada desde tal CM radialmente hacia el exterior del sistema con la energía que el sistema ha perdido , pero a una velocidad universal límite V=C , en la dirección justa para que se cumplan los principios de conservación de la cantidad de movimiento y de la energía . Igualmente, respecto a la interacción gravitatoria las variaciones de energías gravitatorias entre masas con procesos cuánticos intensos (grandes campos, escalones de potenciales bruscos) , podría provocar la fluctuación de los cuantos gravitatorios o bosones gravitones. Dado que el fenómeno EM es una interacción 40 órdenes superior a la gravitatoria, los efectos cuánticos de los gravitones quedan enmascarados en los fenómenos EM dentro de los átomos : Aunque un átomo absorba un gravitón, no logrará variar apenas su energía, no habrá salto electrónico, será imperceptible. Es como si al saltar el electrón de un nivel a otro, el bosón implicado tuviera una energía X,0000000000000000000000000001 donde el decimal es por parte gravitatoria. En todos los fenómenos cuánticos conpartículas, debido a la carga conjuntamente con la masa, fluctúa o se produce un bosón conjunto pero la aportación gravitatoria es despreciable o indetectable. Solamente en una partícula neutra que muy bruscamente cambie de e. gravitatoria (ejemplo, efecto Einstein gravitatorio discontinuo de los fotones) se emitirán gravitones independientes, aunque siguen siendo de una extrema pequeñez energética. Siempre pasarán desapercibidos, es como una partícula fantasma que pertenece a un haz de partículas energéticas “oscuras” o “energía oscura” (tal adjetivo es derivado de su ínfima aportación energética al mundo natural dando como consecuencia su indetectabilidad y supongo que menos indetectable que los propios neutrinos ; solamente son más detectables que los puntos de vacío como extremo natural de lo indetectable absolutamente). La fluctuación cuántica más espectacular de la Historia Natural es precisamente el nacimiento del Universo tal como lo conocemos. Aquí la fluctuación cuántica no solamente fue puntual sino que se realizó en toda una superficie esférica protouniversal de bosones(como se desarrollará en la Teoría del origen superficial esférico del Universo, más adelante). Cada partícula vacía tiene energía interna nula respecto a sí misma y energía externa gravitatoria nula respecto al resto del Universo vacío. En el cambio de estado del Universo, cada partícula de la esfera original sigue teniendo energía total nula, pero ahora tiene energía interna respecto a sí misma positiva E(+) (E= mC2) y respecto al resto del Universo tiene energía negativa gravitatoria E(-) , E= m (-GM/R) donde M es la masa del resto del Universo. Se sigue manteniendo la simetría e isotropía previa (todo punto vacío tenía la misma disposición respecto al resto de los puntos vacíos en el estado de Nada; luego, en la superficie esférica sigue cumpliéndose esta disposición, no hay punto de la esfera original con privilegios).La fluctuación cuántica original consiste en que una multitud de puntos vacíos en forma de superficie esférica da esa misma superficie esférica pero de bosones. 0 = E(+) + E(-) anotadas anteriormente. Para toda la superficie protouniversal 0=MC2-GMM/Ro dando una “condición de inicio” para el nacimiento de cualquier Universo: Ro=GM/C2 relación entre el radio del protouniverso original y la masa del mismo Universo (M es la masa efectiva de movimiento o relativista de todo el Universo). Figura nº 20B En cualquier otro momento del tiempo y lugar del espacio , el potencial gravitatorio y e potencial inercial nunca más se volverán a igualar y anular la Et total. Si ahora apareciera una partícula de masa “m” (fermión en reposo o en movimiento, o bosón en movimiento, todo con una masa “m”), tendría un Et =mc2 – m V =/ O, y lo que haría es crear energía Et nueva, violando el principio de conservación del Universo, es decir, este siempre ha tenido Et=O y ahora tendría un poco más de energía, aportada por esa partícula nueva creada fuera de lugar (de esa superficie esférica original y fuera de tiempo, tiempo distinto al de inicio).No es posible la fluctuación cuántica gravito-inercial a partir del vacío aunque sí es posible la fluctuación cuántica electromagnética a partir de un bosón .
En la materialización de los bosones creadores de partículas existe una asombrosa simetría especular: Tanto los vectores velocidad o cantidad de movimiento de las partículas material y antimaterial, son simétricos respecto a un sistema de referencia situado en el centro de masas. Las cargas de ambas partículas son exactamente iguales pero de signos contrarios y las masas son idénticas. Estos procesos no necesitan otras partículas para cuadrar las leyes de conservación (por ello, aquí no se producen neutrinos). En la desintegración de partículas materiales inestables como los hiperones los productos resultantes son distintos: Una partícula neutra inicial genera dos partículas de cargas opuestas y si la partícula original tiene carga entonces genera una partícula neutra (neutrino) y otra de la misma carga pero de menor masa y un tanto más estable (en todo caso, siempre se cumple la conservación de la cantidad de movimiento y de la energía-masa al igual que en la materialización de bosones).La asimetría la encontramos en las masas de las dos partículas productos a partir de la partícula inestable original. En estas desintegraciones, la energía sobrante de la partícula material original inestable no alcanza para dos partículas iguales y genera dos partículas distintas. Para cuadrar la ley de la conservación de la cantidad de movimiento, aparecen partículas neutras que no afectan a la carga eléctrica sino que hacen cumplir dicha ley: Son los neutrinos. Para partículas medianas y grandes (mesones, bariones e hiperones) aparecen los neutrinos electrónicos de masa de reposo excelentemente pequeña pero con grandes velocidades; para partículas grandes (bariones e hiperones) aparecen los neutrinos muónicos y para partículas muy grandes (el tauón ) aparece el neutrino tauónico. El tauón de grandísima masa y altísima inestabilidad , al desintegrarse en neutrino tauónico, directamente se transforma en muón mucho más pequeño y más estable. Por tanto la simetría de la desintegración del bosón H se debe a que este está obligado a hacerlo en partículas simétricas especulares pero una partícula material inestable tan solamente debe descomponerse simétricamente en cuanto a la cantidad de movimiento MVo = M´V1 + M´´V2 + mv (neutrino) y a la energía total Eto = Et1 + Et2 .
d)Colisiones y productos de colisión entre tipos distintos de partículas:
- Colisiones entre partículas de la misma masa y carga .
Las colisiones de estas características son , en principio , elásticas y simétricas de tal manera que al acercarse una a otra en gran espacio de separación y amplios tiempos de movimiento, la energía mecánica se conserva siendo las aceleraciones de frenado iguales en ambas partículas(derivado de que la fuerza interactiva repulsiva es la misma así como la masa de ambas). Si las direcciones iniciales son paralelas ambas partículas sufren una desviación debido a su repulsión electrostática llegando a una mínima distancia de acercamiento y alejándose de nuevo. Aquí el fenómeno es energéticamente continuo pues la energía cinética de ambas partículas se transforma en energía potencial positiva de repulsión (llegando a una máxima energía potencial electrostática para tener un mínimo de energía cinética y al alejarse, aquí mínima energía electrostática y máxima cinética).Si la colisión es frontal (misma dirección de movimiento inicial pero sentidos contrarios) y la energía cinética no es muy alta, simplemente se tendrá una colisión elástica de manera que se alcanza una mínima distancia y máxima energía potencial y e. cinética cero (reposo instantáneo) pero conservándose la energía mecánica. Si la velocidad es mayor, puede llegarse a tal extremo de acercamiento donde los campos electrostáticos son tan intensos que se produce el fenómeno cuántico : La energía mecánica en un punto y en un instante, ambos suficientemente reducidos, se hace discontinua y la colisión ya no es elástica sino que la energía mecánica salta de un valor inicial del conjunto de las partículas en colisión ( Emo= Eco + Epo ) a un valor final (Em= Ec +Ep ) , donde la variación de energía mecánica Emo – Em se ha transformado en un par de bosones iguales que se dirigen perpendicularmente a la línea de unión de ambas cargas pero en sentidos contrarios desde el centro de masas . Se cumplen los principios de conservación de la cantidad de movimiento y de la energía. Tales bosones son bosones libres o fotones de alta energía que se alejan del centro de masas de impacto a la velocidad lumínica. Este mecanismo de la naturaleza (la radiación) permite la evacuación de energía desde puntos de altísima concentración de energía a la máxima celeridad C (respecto al tiempo) y a la máxima dispersión (respecto al espacio). Un ejemplo de este tipo de colisiones con emisión de radiación son los aparatos productores de rayos X: Unos electrones se lanzan contra una placa negativa que al ser frenados bruscamente, la energía mecánica de tales electrones deja de cumplir la continuidad y la conservación de la misma , y la diferencia instantánea del salto de su valor se transforma en energía cinética pura de los fotones. Emo-Em= hf , según la ley cuántica de Planck . Otro ejemplo es la colisión entre protones en los aceleradores de partículas americano y europeo. Si la energía es suficientemente alta como para acercar más aún a las cargas, el salto cuántico en los valores de sus energías mecánicas puede generar bosones de tan altísima energía que puedan materializarse en partículas (el salto de energías mecánicas en la colisión debe superar al menos la masa de reposo del futuro par de partículas recién materializadas o partícula/antipartícula). Si la colisión no tenia mucha velocidad las partículas que emergen tampoco tendrán un tanto más pero aplicando un campo electromagnético (E y/o B)externo catalizador (en la zona de colisión) ayudaría a la separación de ambas partículas de misma masa y cargas opuestas (tanto un campo eléctrico como uno magnético en cualquier sentido separaría ambas cargas opuestas). En este caso extremo de materialización, el bosón no es libre , no le da tiempo a desplazarse, ya que al ser altamente inestable, en tiempo cuántico mínimo, se transforma en un par de partículas (es el bosón H que es instantáneo y puntual siendo la partícula más inestable de la física y más aún si condensa más energía en el centro de masas de la colisión en tan poco tiempo) que se dirigen perpendicularmente a la línea de colisión pero en sentidos contrarios. Estas no son las únicas posibilidades energéticas de este tipo de colisiones. Si la colisión de protones es algo menos energética que en la materialización anterior, el salto de energía mecánica se transforma en bosones gluones que aparecen instantáneamente entre ambos protones muy cercanos entre sí a distancias de confinamiento nuclear fuerte. En este caso, se produce cierta unión virtual actuando las fuerzas fuerte y los gluones de intercambio a tan corta distancia pero de bastante inestabilidad debido a la terrible repulsión electrostática. En este caso, solamente el auxilio o el acoplamiento electrostático con electrones podría comenzar a formar neutrones o núcleos atómicos ligeros de hidrógeno o a lo sumo de helio. En términos de “estabilidad nuclear” , para formar núcleos atómicos es necesario que los protones y electrones se encuentren en una región muy concentrados con mucha energía concentrada (como ocurrió en el origen del Universo y como ocurre en el centro de las estrellas )y así entre protones se establezcan bosones gluones que mantienen unidos a los protones en interacción fuerte en contra de la repulsión electrostática , mantenga la atracción electrostática entre protones y electrones a pesar de la interacción débil, y formar en conjunto un sistema estable. Tales partículas deben colisionar en esa “sopa de partículas altamente energéticas” generando gluones, debilones, e interacciones electromagnéticas, confinadas en el espacio en el cual actúan las interacciones fuerte y débil , en un conjunto total de interacciones electronucleares. Si existen más protones de la cuenta que desvíe el equilibrio, el núcleo expulsará protones (o partículas alfa que son productos de radiactividad muy estables) equilibrando nº de protones con nº neutrones (entendiendo estos como pares protón-electrón , deslocalizados, pues los electrones neutrónicos son dinámicos y cambian de protón) . Si tiene demasiados electrones (se traduce en que tiene demasiados neutrones) expulsará electrones nucleares o partículas beta, ganando un protón, y equilibrando el conjunto. Los núcleos estables son los que tienen aproximadamente casi 50 % de protones y un tanto más del 50% de pares electrón-protón o neutrones (tener algunos electrones más , es decir, neutrones más, garantiza mayor cohesión ya que esos electrones, envolviendo al núcleo , generan cohesión electrostática con todos los protones a la vez siendo análogo al modelo de red metálica con nube de electrones pero aquí actúan fuerzas electronucleares). Regresando a la colisión cuántica protón-protón, entre ambos se forma un par de bosones que “virtualmente” intente un enlace nuclear (virtualmente tales bosones son candidatos a gluones) pero ante la falta de apoyo de otros electrones en neutrones u otros protones, no se logrará, dispersándose tales bosones en forma de fotones de alta energía. Inversamente, electrones en colisión podrían generar ( en caso de cortísimo acercamiento y fenómenos cuánticos ) fotones ,como ya vimos. Al igual que los protones y de forma paralela o simétrica, tales electrones cercanos deben rodearse de protones en interacciones electronucleares, para crear (en la proporción indicada anteriormente )núcleos atómicos. El hecho de que los núcleos atómicos estables estén formados por mayoría de protones que de electrones ( es decir, casi igualdad de protones y neutrones) en vez de mayoría de electrones que de protones o cifras parecidas (núcleos con pocos protones y muchísimos neutrones) , es debido a que al ser los electrones 1836 veces menos másico que el protón, su movilidad es igualmente mayor y con pocos electrones formando un cierto “gas electrónico intranuclear” compacta todo el núcleo mucho más efectivamente que un cierto “gas de protones” , al actuar casi simultáneamente en todo él. Si fuera al revés, los protones no tendrían suficiente movilidad para estar en todo el núcleo compactando con los electrones electrostáticamente ya que los protones son inmensamente más estáticos ,por su gran masa relativa, que los electrones (en cualquier tipo de interacción protón-electrón, los electrones se mueven acelerándose 1836 más que los protones).Véase dinámica del núcleo atómico.
-Colisiones entre partículas de misma masa y distinta carga.
Estas partículas son las denominadas par partícula material/antipartícula antimaterial. Estas partículas al acercarse se atraen electrostáticamente y desvían sus trayectorias originales. Pero si lo hacen con la suficiente proximidad, sus energías mecánicas dejan de ser continuas y dejan de conservarse de manera que , debido a su proximidad y a su terrible atracción electrostática tienden a acercarse ilimitadamente hasta los límites de la distancia de Planck cuando la energía potencial electrostática experimenta una brusquísima bajada (numéricamente altísima pero es negativa dado los signos opuestos de ambas partículas) y la energía cinética adquiere valores altísimos , dando lugar a velocidades muy cercanas a la de la luz (véase la gráfica de Bertozzi de su experimento) . A diferencia del caso anterior ,de misma masa y misma carga, aquí ocurre un fenómeno más radical todavía : Aquí , ambas partículas se aniquilan mutuamente , de manera que se transforma toda la energía de las dos partículas e incluso, insólitamente, desaparecen ambas cargas, la positiva y la negativa, que se funden en un par de nuevas partículas neutras o bosones.” Toda la energía” de las dos partículas originales , parte inercial de reposo y parte mecánica, Et=Eo + Em de ambas partículas, se transforman en dos bosones o energía cinética pura que huyen del centro de masas de las partículas originales, donde se forman, perpendicularmente a la línea de unión , y a la máxima velocidad natural “C” . Se cumple la ley de conservación de la cantidad de movimiento y de la energía total. 2Et = 2(Eo+Em)=2hf donde f es la frecuencia de cada bosón originado ( es el proceso inverso de la materialización, es la “aniquilación”). Estos bosones son tan energéticos que suelen materializarse de nuevo en otros pares de partícula/antipartícula (rapidísimamente e instantáneamente) sin poderse detectar dichos bosones que serían bosones creadores de partículas. En los aceleradores de partículas suelen también hacerse colisionar protones y antiprotones, generando todo un rosario o cascada de partículas a partir de los dos bosones originales que más tarden se materializan en partículas de alta masa-energía (partículas exóticas) que se descomponen en otras menos másica-energéticas y en neutrinos , y así ,en cadena hasta llegar a las conocidas partículas fundamentales estables .
- Colisiones entre partículas de distinta masa y carga.
Las partículas con distinta carga se atraen electrostáticamente pero al tener distinta masa (como ocurre en nuestro Universo donde el protón es 1836 veces más másico que el electrón, es decir, muy superior) el protón apenas se ve alterado en su movimiento y el electrón es el que visiblemente se mueve alrededor del protón. Esta diferencia tan abultada entre las masas cuánticas menor y mayor, construye nuestra Realidad física. Gracias a esto, existe un átomo de características nucleares (como descubrió Rutherford en su famoso experimento) por lo que los ligeros electrones orbitan alrededor del protón o de un núcleo atómico y el núcleo se mantiene en este sistema prácticamente en reposo. Por otra parte, existe una asimetría en las colisiones protón-electrón. Cuando un electrón lejano se acerca a un protón (o núcleo atómico), la atracción en la lejanía produce que la energía potencial electrostática se transforme en cinética conservándose la energía mecánica. Pero en las cercanías, donde podemos considerar la corteza del átomo cuyo núcleo es dicho protón, los altos campos eléctricos producen “saltos cuánticos” en la energía mecánica (en el espacio cortical, se tiene un campo de energías potenciales con saltos bruscos originando órbitas estables cuantizadas u orbitales en los átomos más complejos) y esta vez, el electrón se convierte en satélite del protón (análogamente para el caso del neutrón según el caso extremo de confinamiento nuclear o neutrónico con interacción electrodébil ; o en el átomo de hidrógeno, con sus órbitas cuánticas corticales e interacción electrostática) , atraído por este en trayectos estables. En este salto cuántico, la diferencia entre la energía mecánica inicial y final de ambas órbitas de la carga de menor masa alrededor de la de mayor masa, se ha transformado en bosones libres o fotones, que salen del sistema de ambas partículas en la dirección correcta para que se cumplan los principios de conservación de la energía (Emo-Em=hf) y de la cantidad de movimiento. Estos saltos cuánticos no suelen ser muy energéticos dadas las distancias que son del orden atómico aunque sea intensa la interacción electromagnética, siendo fotones del espectro electromagnético habitual. Para el antiátomo ( los positrones ligeros pueden quedar atrapados por los antiprotones estableciendo órbitas constituyendo antiátomos en la antimateria con la interacción electromagnética , o bien, formando antineutrones, con interacción electrodébil ) todos los fenómenos son análogos que en el átomo. El juego protón-electrón con emisión /recepción de fotones es el mismo que en el juego antiprotón-positrón, cuyo antifotón es idéntico al fotón. Este hecho es muy relevante pues la luz en juego en la materia es idéntica que en la antimateria, por lo que las imágenes son iguales así que “no podemos distinguir ópticamente materia de antimateria, como tampoco gravitatoriamente”. Más aún, si un par protón-electrón emitiera un fotón y este fuera recogido por un par antiprotón-positrón, este antiátomo lo absorbería y viceversa, por lo que el fotón es universal para ambos tipos de materia (la ordinaria y la antimateria).No podemos saber que lo que vemos con el telescopio o el radiotelescopio es una galaxia o una antigalaxia , salvo que dos de estas colisionen en la mayor catástrofe universal desde el Big Bang (la energía liberada en la unión materia-antimateria es máxima porque toda la energía mecánica y la masa interna íntegramente se transforman en energía de radiación).
-Colisiones entre partículas de distinta masa y misma carga.
Por el hecho de tener la misma carga, se establecen fuertes fuerzas electrostáticas repulsivas pero una de ellas (al tener una masa muchísimo menor que la otra , como el par antiprotón-electrón o el protón-positrón ) se acelera más que la otra huyendo más rápidamente y sin más consecuencias. Sin embargo, en caso de colisión frontal, condensándose mucha energía del sistema en el centro de masas, puede generarse un par de fotones equivalentes al salto cuántico de energía mecánica de ambas cargas. En este caso, dada la repulsión eléctrica enorme y la ligereza de una de las dos partículas, no llegan a enlazar a corta distancia o confinadamente en las fuerzas de 2º orden. Son sistemas altamente inestables que no enlazan sino que se dispersan.
- Colisiones entre bosones.
Los bosones son partículas que no existen en reposo y no poseen carga eléctrica. Los bosones son absorbibles/desprendibles fácilmente por pares de partículas (los fotones por pares de cargas y los gravitones por pares de masas). Los bosones no experimentan colisiones en el sentido de los fermiones (no existe ni desviación de trayectoria ni repulsión, ni frenado ni puede alcanzar el reposo por colisión frontal). Los bosones cuando se acercan uno al otro no desvían su trayectoria, siguen en línea recta y en el caso poco probable de que ocupen el mismo punto del espacio (punto físico puntual de radio de Planck) , durante un mínimo instante (instante de Planck, exactamente), simplemente, en ese punto e instante, el punto se convierte en un bosón de masa-energía suma aritmética de ambas. Si raramente coinciden “n” bosones en el mismo punto y momento, ese punto equivale a un bosón de energía suma total de energías. Esto se basa en el principio de superposición o de interferencia que solamente pueden realizar las partículas bosónicas pero no las partículas fermiónicas ya que los bosones sí pueden perder momentáneamente su identidad espacio-temporal. Esta es una de las claves en las que se diferencian los fermiones de los bosones , en la identidad de la partícula :Los fermiones conservan su identidad espacio-temporal (Pauli) de manera que si intentan coincidir en punto-instante, sufren antes una repulsión absolutamente elástica debido a la interacción de Pauli, que solo ocurre con fermiones. Sin embargo, los bosones en esta coincidencia pierden instantáneamente la identidad y se suman dando en ese punto-instante un bosón suma pero esta composición es instantánea (dura el tiempo mínimo de Planck, es el fenómeno más corto de la naturaleza) para luego continuar cada bosón su movimiento sin desviaciones como si nada hubiera ocurrido. En un punto pueden interferir o sumarse tantos bosones de manera que instantáneamente funciona como un bosón de energía total (existe un límite máximo de concentración de energía en un punto que es la energía de Planck, pero esta es idealmente inalcanzable).
-Colisiones entre fermiones y bosones (efecto Compton).
Cuando un bosón se acerca a un fermión solitario (ejemplo, un fotón hacia un electrón, estudiado por Compton) o muy alejado de las demás cargas sin atracción ni repulsión eléctrica por la neutralidad del bosón, se produce una colisión como en cualquier par de partículas neutras, siempre que el bosón fotón se dirija directamente al centro del fermión (si no se dirigiera directamente pasaría sin afectar ni ser afectado). En este caso, y con velocidades relativistas, se puede deducir la relación existente entre el bosón inicial (fotón) , el final y la velocidad de retroceso del fermión (electrón o protón), relación denominada “ley o ecuación de Compton”. Este fenómeno es de carácter mecánico relativista pero no es de naturaleza cuántica pues aquí la energía mecánica del sistema ( y también la cantidad de movimiento) se conserva, no se generan nuevos fotones ni se absorben. Este es un caso de colisión de partículas (funcionando como neutras) pero con consecuencias inversas a todos los casos anteriores : En los casos anteriores, variaba la energía mecánica (cuánticamente o a saltos) de las partículas fermiónicas para dar un par de bosones que huía rápidamente del lugar evacuándose el salto de energía a través de un bosón energético ; aquí, es el bosón o fotón el que varía su energía cinética pura (la del fotón, al transformarse desde una energía-longitud de onda-frecuencia inicial a idem final ) para que el electrón aumente su propia energía mecánica. Este proceso se puede considerar de naturaleza cuántica si se ve de la siguiente manera: Se absorbe un fotón de longitud de onda inicial para emitir otro de longitud de onda final. Esta colisión es del tipo bosón y fermión solitario. La ley de Compton nos relaciona la longitud de onda de los bosones inicial y final y el ángulo de dispersión(Q) Compton: (M masa fermión L´-L =(h/MC)(1-cosQ) . Otra modalidad de colisión entre bosones y fermiones es la “absorción-emisión de los mismos a partir de un par de cargas eléctricas “.Esta situación es la misma que la dada anteriormente en los casos de carga con masa mayor junto a carga con masa menor y signo contrarios ( caso del interior del neutrón, con electrón cerca del protón dentro de la distancia de confinamiento nuclear neutrónico ;caso del átomo de hidrógeno o en general de todo átomo ; caso de sus correspondientes antipartículas). En estos casos, teniendo previamente un sistema de partículas como los anotados, si llega un fotón libre, su energía cinética pura se transforma en energía mecánica del par protón-electrón (antiprotón-positrón), separando a ambos fermiones (el protón másico no sufre alteración pero el electrón ligero que orbita alrededor sube de órbita, con un salto cuántico de energía mecánica equivalente a la energía cinética pura que portaba dicho fotón). Es el proceso inverso de los vistos con anterioridad, aquí el fotón varía su energía desde la que portaba hasta su desaparición, para invertirla en variar la energía mecánica del par de fermiones. Al revés, si un electrón está muy separado del protón y cae más cerca, salta su energía mecánica cuánticamente (en estos fenómenos tan cerca del núcleo, con altísimas aceleraciones centrípetas y energías concentradas, son propicios para los fenómenos cuánticos como ocurre en la corteza de los átomos) emergiendo un fotón que contiene como energía radiativa o energía cinética pura, la diferencia de e. mecánicas inicial y final de ambas órbitas u orbitales.
-Colisiones de fermiones neutros (neutrinos) y efecto Compton.
Los fermiones estables neutros son los neutrinos . Estas partículas neutras no interaccionan electronuclearmente ( ni electromagnética ni fuerte ni débilmente), pues no tienen carga eléctrica. Su colisión se realiza, si se produce, frontalmente en línea y, por esto, la probabilidad de choque ( se mide por el parámetro de sección eficaz de choque) es reducidísima de tal forma que un neutrino es capaz de atravesar inmensos espesores de materia densa (planetas e incluso estrellas) y no chocar con demasiada frecuencia. Por esto, su absorbabilidad es prácticamente nula. Si raramente se produce una colisión entre un neutrino y una partícula material ( ya sea otro fermión cargado u otro neutrino ) ,la única interacción imperante, aparte de la debilísima interacción gravitatoria, es la interacción puntual de Pauli que impide la interpenetración en el punto físico entre fermiones. Esto provoca una colisión totalmente elástica que sigue la misma mecánica y la misma ley que la colisión Compton entre bosón y fermiòn. Especial atención tiene la colisión entre un neutrino y el supuesto antineutrino de la misma masa y ambos con la carga neutra. Según la frase anterior, neutrino y antineutrino parece ser que son la misma partícula (misma carga y masa).Si fueran partículas simétricas o partícula/antipartícula, desde el punto de vista de la materialización/aniquilación, neutrino y antineutrino se aniquilarían generando fotones o un fotón energético generaría dicho par. Pero los bosones son partículas cuya naturaleza es la de transportar energía desde pares de partículas cargadas eléctricamente (todo fotón está ligado a un par de cargas que se acercan o se separan, pero no a partículas neutras, insensibles electromagnéticamente)como ya se ha visto y son físicamente independientes de las partículas fundamentales neutras como los neutrinos. Por ello, los neutrinos no se aniquilan/materializan por medio de bosones, así que no tiene sentido la dualidad neutrino-antineutrino sino que en realidad son la misma partícula, al igual que los fotones son los mismos entre materia y antimateria. La experiencia nos muestra que la generación de neutrinos está ligada a la desintegración de partículas altamente energéticas e inestables y además, provienen de partículas solitarias o individuales : Una sola partícula con alta masa/energía “interna” solitaria se transforma en otra partícula de la misma carga pero con masa/energía interna menores más los “neutrinos”, llevándose energía inercial (de reposo Eo y cinética Ec) y cantidad de movimiento justamente para cumplirse los conocidos principios de conservación. Mientras que los bosones son partículas energéticas puras (neutras y con solo energía cinética) que transportan los saltos energéticos entre pares de partículas cargadas (son bosones gauge de interacción cuántica) , los neutrinos son partículas materiales o fermiones ( neutras con masa de reposo y energía cinética) que transportan saltos de energía/masa internas de las partículas inestables (exóticas).
Figura nº 21 a
Figura nº 21 b
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