Aprovechando que el Pisuerga pasa por Valladolid, las partículas de Majorana


Ettore Majorana

Ettore Majorana

Seguramente habrá cierto movimiento mediático en torno a las partículas de Majorana.  Así que vamos a dedicar un rato a hablar de qué son dichas partículas y por qué son tan interesantes para los físicos.

Todo el asunto radica en los términos:

–  Antimateria.

– Fermión.

Espero que esta entrada aclare un poco el asunto para que nuestros queridos lectores puedan seguir las noticias que se están presentando con cierta solvencia.

Fermiones y bosones

Las partículas se clasifican de muchas cosas, hay nombre muy chulos, hadrones, leptones, mesones, y toda una plétora de palabrejas terminadas en -ones.  Una de esas clasificaciones establece que las partículas pueden ser:

1.-   Fermiones

Screenshot 2014-10-03 at 11.29.51

2.-  Bosones

Screenshot 2014-10-03 at 11.30.48

Como cualquier en clasificación, tiene que haber una característica o propiedad que nos sirva para clasificar.  En este caso es el espín de las partículas.  El espín es una propiedad intrínseca y definitoria de una partícula, tanto como su carga eléctrica o su masa.  El origen de dicha característica es puramente cuántico y no es fácil dar una imagen intuitiva de la misma.

Pero para nuestros propósitos no tenemos que entrar en esos vericuetos, nos basta saber que el espín de las partículas es una magnitud medible, como masas y cargas, que puede tomar valores enteros, 0,1,2,3,..., o valores semienteros, \dfrac{1}{2},\dfrac{3}{2},....  Pues bien, diremos que:

–  Fermiones serán todas las partículas de espín semientero.

–  Bosones son todas las partículas de espín entero.

Ejemplos de fermiones son los electrones, los protones o los neutrones.  Bosones son por ejemplo los fotones, etc.

Que una partícula sea bosón o fermión nos dice muchas cosas de ella, por ejemplo, nos informa de que podemos tener muchas partículas con todas sus propiedades cuánticas iguales, en el caso de los bosones, o que no puede, en el caso de los fermiones.  Expliquemos esto un poco más.

Supongamos que tenemos un bosón y un fermión que pueden estar en dos estados, el estado rojo y el estado azul.  Cuando nos proporcionan una de estas partículas no podemos saber si está en rojo o en azul hasta que no las observemos pero la cuántica nos dice, según haya sido manipulada la partícula previamente, con qué probabilidad será roja o azul al observarla.

Para lo que nos proponemos lo único relevante es que una partícula, bosón o fermión, de las que tenemos a nuestra disposición tiene probabilidad de estar en el estado rojo o en el estado azul:

Screenshot 2014-10-03 at 11.34.39

Supongamos ahora que nos proporcionan dos bosones de los que se sabe que uno es rojo y otro es azul.  Lo podemos representar así:

rojoazul

Pero un momento, si ambos bosones son idénticos, tienen la misma masa, mismo espín y mismas cargas, son como gemelos idénticos, indistinguibles.  Así que la asignación de las etiquetas para el bosón 1 y el bosón 2 no tienen sentido alguno en un contexto cuántico, no podemos saber cuál es el bosón1 o el bosón 2, así que podríamos haber elegido:

Screenshot 2014-10-03 at 11.40.26

La mecánica cuántica no nos permite distinguir entre estas dos situaciones, así que nos obliga a trabajar con las dos a la vez.  Por tanto para trabajar con dos bosones idénticos que pueden estar en rojo y azul tenemos que considerar que están en un estado:

Screenshot 2014-10-03 at 11.42.02

Es decir, sabemos que cuando miremos veremos una partícula en el estado azul y la otra en la partícula roja, pero no sabemos cual es cual, no podemos diferenciarlas.

En este punto lo interesante es que para trabajar con todas las posibilidades y satisfacer el requerimiento de no poder distinguir las partículas aparece un signo más entre ambos estados.  Escrito de forma más formal, pero no mucho, sería:

Screenshot 2014-10-03 at 11.44.00

Ahora supongamos que ambos bosones están en el estado rojo porque lo hemos preparado así:

Screenshot 2014-10-03 at 11.45.10

No hay ningún problema, la vida sigue igual.  No hay ningún impedimento para poner 2, 3, …, 1000000 bosones en el mismo estado.

Ahora hagamos lo mismo que hemos hecho con los bosones pero con una pareja de fermiones indistinguibles:

Screenshot 2014-10-03 at 11.46.32

En este caso, para satisfacer la indistinguibilidad de las partículas también tenemos que hacer una combinación de todas las posibilidades.  Pero ahora la cuántica nos dice que para los fermiones la forma de combinar los estados es introduciendo un signo menos.    Ese signo en las combinaciones para grupos de partículas indistinguibles está asociado de forma indisoluble al carácter fermiónico o bosónico de las partículas involucradas.

Para ver como afecta eso de forma dramática a la física miremos qué pasa cuando intentamos poner dos fermiones idénticos en el mismo estado:

Screenshot 2014-10-03 at 11.49.44

Ese signo menos impide que ese estado pueda existir.  Simplemente se aniquila, se anula, es imposible, eso da un cero gordo.  Así no es posible tener más de un fermión en un estado cuántico dado.  Esto que he explicado tiene un nombre en física, el principio de exclusión de Pauli.

Con esto he acabado con lo que quería contar de fermiones y bosones.  Espero que os haya resultado instructivo.  Seguimos…

Antimateria

La antimateria es una predicción teórica que extrajo Dirac cuando unió los principios de la cuántica con los de la relatividad especial.  Para su sorpresa, una ecuación, la ecuación de Dirac, que estaba diseñada originalmente para describir electrones se empeñaba en describir además otra partícula.  Esta partícula incómoda tenía una serie de propiedades:

  1. Tenía la misma masa del electrón.
  2. Tenía el mismo espín del electrón.
  3. Sin embargo, la carga eléctrica era del mismo valor que la del electrón pero opuesta en signo.

Cuando se fue desarrollando la teoría se encontró que para cualquier partícula existe otra partícula asociada que tiene la misma masa y el mismo espín pero que tiene las cargas cambiadas de signo.  A estas partículas se las denominó — antipartículas –.

Hoy día sabemos que las antipartículas existen y las sabemos manipular, además sabemos que cuando una partícula se encuentra con una de sus antipartículas tienen una enorme probabilidad de destruirse mutuamente generando radiación en forma de fotones.  Esto es el fundamento de técnicas de diagnóstico médico como el PET.

Conocemos partículas que son su propia antipartícula, por ejemplo el fotón.  Para que una partícula pueda ser su propia antipartícula tiene que ser neutra, sin carga, así que el cambio de signo de la carga inducido en la materia/antimateria no le afecta.  Pero sucede que todas las partículas que son su propia antipartículas que hemos sido capaces de identificar pertenecen al conjunto de los bosones.

La pregunta es, ¿existe algún fermión fundamental que sea su propia antipartícula?

Un físico italiano, Ettore Majorana, introdujo las condiciones teóricas para poder tener fermiones que fueran su propia antipartícula.  A las partículas con esa propiedad (ser su propia antipartícula) se las denomina partículas de Majorana.

De los fermiones conocidos, los quarks, los electrones, los muones, los tau, no pueden ser partículas de Majorana. ¿Por qué?  Porque todos tienen carga eléctrica y entonces sus antipartículas asociadas tendrán la carga eléctrica opuesta en signo.  Esto impide que, por ejemplo, el electrón y el positrón (par partícula/antipartícula) sean una única partícula ya que uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva.

Siempre nos quedarán los neutrinos

paris

Los neutrinos son unas partículas formidables.  Sí, son esas que nos atraviesan a nosotros y al planeta como si nada, pasan de todo, interactúan poco y tenemos que formar un buen follón para detectarlas.  Son partículas que además cambian de identidad cuando se mueven, pueden ser neutrinos electrónicos, muónicos o tauónicos.  Así yo lanzo un neutrino de tipo electrónico y si lo detecto varios kilometros más allá puede que sea de otro tipo.

Estas partículas tienen las siguientes propiedades:

  1. Tienen una masa muy, muy pequeña.
  2. Tienen espín semientero, por lo tanto son fermiones.
  3. ¡Son neutros!

Es decir, son las únicas partículas conocidas que pueden ser de Majorana, es decir, ser su propia antipartícula.

La cuestión no es baladí, se ha intentado durante décadas determinar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es.  Y esto no es solo por el capricho de los físicos por tocarle las cosquillas al neutrino, sino porque determinar si es una partícula de Majorana o no lo es nos ayudará a cosas como:

  1. Entender por qué vemos las partículas que vemos en el universo.
  2. Entender qué física vamos a poder descubrir en experimentos futuros de altas energías.
  3. Entender la materia oscura.
  4. Entender por qué no hemos visto la supersimetría
  5. Etc…

A día de hoy ya está en marcha un experimento, el experimento NEXT, que está diseñado para encontrar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es.  Si queréis saber sobre este proyecto lo mejor es que nos hable del mismo uno de sus responsables, Juan José Gómez Cadenas.  Aquí os dejo la charla que dio en el evento Jot Down Ciencia en Sevilla el pasado verano:

Next Experiment:  @NEXT100Exp

Juan José Gómez Cadenas:  @JuanJoseGomezC1

Las noticias actuales

Posiblemente verás en blogs, twitters y demás medios que se habla mucho de partículas de Majorana.  En efecto, se han encontrado cosas que en el seno de materiales se comportan como si fueran partículas de Majorana.  Pero no se han encontrado partículas fundamentales de este tipo hasta la fecha.

Esto no quiere decir que el trabajo no sea interesante, lo es y mucho, pero no hay que confundirse con un sistema que emula ser una partícula de Majorana a haber encontrado una partícula FUNDAMENTAL de esta clase.

Para más información, esta entrada en el país:  La partícula que es materia y antimateria a la vez.  (Yo le hubiera puesto de título:  La partícula que emula ser materia y antimateria a la vez 😛 ).

En realidad en los materiales se pueden dar configuraciones del sistema que se comporten como partículas de Majorana, como monopolos magnéticos, etc.  Son lo que son, no lo que parecen ser. Ojo con eso.

Nos seguimos leyendo…

Anuncios

10 Respuestas a “Aprovechando que el Pisuerga pasa por Valladolid, las partículas de Majorana

  1. Por si os interesa profundizar más en el tema, os dejo un link a un artículo de divulgación sobre Majoranas en materia condensada http://gefes-rsef.org/2014/10/25/par…condensada/ en la web, recién inaugurada, del grupo especializado de física de estado sólido de la RSEF

  2. Pingback: Partícula de Majorana observada en cadena de átomos magnéticos en un superconductor | GEFES

  3. Pingback: Bitacoras.com

  4. Me preguntaba si el neutrón debería ser una partícula Majorana por las propiedades pedidas…

    • No, no lo es porque el neutrón no es una partícula elemental, sin estructura, el neutrón está compuesto por tres quarks. Si bien no tiene carga eléctrica, al tener estructura interna si presenta momento magnético. El neutrón y el antineutrón tienen momentos magnéticos opuestos (debido al movimiento de los quarks en su interior, que de neutrón a antineutrón tienen las cargas cambiadas de signo).

  5. Muy interesante tanto el articulo, como el enlace al vídeo,

    El articulo lo terminas sentenciando que no es lo mismo encontrar un sistema que funcione como una partícula de Majorana y una partícula fundamental de Majorana. ¿Se sabe que de las dos cosas se detecto?

    Otra cuestión, relacionada con el enlace sobre la charla de Juan José Gómez.

    En la charla, explica que están construyendo un detector capaz de demostrar si los neutrinos son partículas de Majorana o no. Y dice que si se demostrara que son Majorana,explicarían “porqué el universo es el universo, osea porqué estamos aquí”.

    Y esa ultima frase me parece un poco pretenciosa. En la charla se explica que lo que se pretende resolver es la ausencia de antimateria en el universo, que una partícula Majorana “pesada” más la violación CP, explicaría como el universo tiene solo materia.
    Pero, ¿no sería solo una hipótesis?, osea que un mecanismo pueda ser posible no implica que el fenómeno haya sido así.

    Entiendo que habría que buscar dichas partículas, ¿no?

    Saludos

    • Lo que se ha encontrado es una excitación en un material que se comporta como una partícula de Majorana. Esto es muy interesante, en materiales se pueden tener cosas que se comportan como si fueran partículas de Majorana o monopolos, se puede ver radiación Hawking (emulación), etc.

      Si los neutrinos son de Majorana — y lo que pretende NEXT es demostrar si lo son o no lo son — explicarían muchas cosas:

      a) Dominio de la materia sobre la antimateria.
      b) La generación primigenia de partículas como leptones (ejemplo, el electrón) y bariones (quarks y derivados)
      c) Nos ayudaría a determinar si la supersimetría existe o no.
      d) Nos podría ayudar a determinar, como consecuencia, la naturaleza y propiedades de la materia oscura.

      El experimento NEXT demostraría sí los neutrinos son de Majorana o no lo son, por lo tanto eso sería definitivo (siempre que el experimento sea reproductible y confirmado con otros experimentos).

  6. Pingback: Aprovechando que el Pisuerga pasa por Valladoli...

  7. De nuevo un magnífico post. Además de un gran físico se nota que eres un excepcional docente. Esto último no es nada fácil. Enhorabuena. Yo humildemente sólo añadiría la obviedad de que las antipartículas son, en realidad, la misma partícula viajando hacia atrás en el tiempo. Por tanto, sólo hay un tipo de partícula y, dependiendo de la dirección temporal que sigue, adquiere una carga u otra. Vale, es una simplificación excesiva, pero era sólo por refrescar la memoria sobre este asunto.
    Un cordial saludo.

    • Bueno, esa es una interpretación que se hace de las antipartículas fundamentada en una formulación concreta de la teoría cuántica de campos. Me parece que es peligroso decir eso sin dedicarle el tiempo necesario a explicar que solo es un modo de interpretar ciertas ecuaciones.

      Las antipartículas existen y no se mueven hacia atrás en el tiempo. Algún día hablaré de esa interpretación que por otro lado es la mar de interesante.

      Gracias por el comentario.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s