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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Clasificación de las partículas elementales. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. "¿Cuántas partículas elementales se han descubierto hasta ahora?”, se pregunta Regge en su libro sobre física. “A juzgar por la cantidad de breves libros de referencia que describen sus propiedades y que están en circulación entre los físicos, entonces varios cientos. Muchas de estas partículas se recolectan en familias similares a las familias de nucleones o piones. Estas familias juegan un papel comparable al del sistema periódico de Mendeleev, tan útil en química. Pero es precisamente esta similitud la que sugiere que estamos ocupados en la clasificación de objetos similares a los átomos. , y no del todo elemental De una forma u otra, pero la búsqueda de constituyentes verdaderamente elementales de la materia ya había comenzado de nuevo, y en 1963 se hizo evidente que las partículas deberían agruparse en familias más grandes. Los antiguos filósofos griegos atribuyeron formas excepcionalmente regulares y simétricas a los átomos. Aunque los átomos reales están muy lejos de esto, se mantiene la idea de que el concepto de simetría debería jugar un papel importante en la física. La clasificación de las partículas por familias solo refleja la existencia de algún tipo de simetría en la naturaleza..." La física de partículas elementales en los años cincuenta estaba en etapa de formación. Los principales medios de investigación experimental en esta rama de la física eran los aceleradores, que "disparaban" un haz de partículas a un objetivo estacionario: cuando las partículas incidentes chocaban con el objetivo, nacían nuevas partículas. Con la ayuda de aceleradores, los experimentadores lograron obtener varios tipos nuevos de partículas elementales, además de los ya conocidos protones, neutrones y electrones. Los físicos teóricos intentaron encontrar algún esquema que permitiera clasificar todas las partículas nuevas. Los científicos han descubierto partículas con un comportamiento inusual (extraño). La tasa de nacimiento de tales partículas como resultado de algunas colisiones indicó que su comportamiento está determinado por la interacción fuerte, que se caracteriza por la velocidad. Las interacciones fuertes, débiles, electromagnéticas y gravitatorias forman cuatro interacciones fundamentales que subyacen a todos los fenómenos. Al mismo tiempo, las partículas extrañas se descompusieron durante un tiempo inusualmente largo, lo que sería imposible si su comportamiento estuviera determinado por la interacción fuerte. La tasa de descomposición de las partículas extrañas parecía indicar que este proceso estaba determinado por una interacción mucho más débil. En la solución de esta dificilísima tarea, y centró su atención Gell-Mann. Murray Gell-Mann nació el 15 de septiembre de 1929 en Nueva York y era el hijo menor de los emigrantes de Austria Arthur y Pauline (Reichstein) Gell-Mann. A la edad de quince años, Murry ingresó a la Universidad de Yale. Se graduó en 1948 con una licenciatura en ciencias. Pasó los años siguientes como estudiante graduado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Aquí, en 1951, Gell-Mann recibió su doctorado en física. Tras una estancia de un año en el Princeton Institute for Basic Research (Nueva Jersey), Gell-Mann empezó a trabajar en la Universidad de Chicago con Enrico Fermi, primero como profesor (1952-1953), luego como profesor asistente (1953-1954) y como profesor asociado (1954-1955). En 1955, Gell-Mann se convirtió en profesor asociado de la facultad de Caltech. Eligió el concepto conocido como independencia de carga como punto de partida de sus construcciones. Su esencia radica en una cierta agrupación de partículas, enfatizando su similitud. Por ejemplo, a pesar de que el protón y el neutrón difieren en la carga eléctrica (el protón tiene una carga de + 1, el neutrón - 0), en todos los demás aspectos son idénticos. Por tanto, pueden considerarse como dos variedades del mismo tipo de partículas, llamadas nucleones, que tienen una carga media, o centro de carga, igual a 1/2. Se acostumbra decir que un protón y un neutrón forman un doblete. También se pueden incluir otras partículas en dobletes similares o en grupos de tres partículas llamados tripletes, o en "grupos" formados por una sola partícula, llamados singletes. El nombre general para un grupo que consta de cualquier número de partículas es multiplete. Todos los intentos de agrupar partículas extrañas de forma similar han fracasado. Al desarrollar su esquema para su agrupación, Gell-Mann descubrió que la carga promedio de sus multipletes difiere de la carga promedio de los nucleones. Llegó a la conclusión de que esta diferencia podría ser una propiedad fundamental de las partículas extrañas y propuso introducir una nueva propiedad cuántica llamada extrañeza. Por razones algebraicas, la extrañeza de una partícula es igual al doble de la diferencia entre la carga promedio del multiplete y la carga promedio del nucleón + 1/2. Gell-Mann demostró que la extrañeza se conserva en todas las reacciones que implican la fuerza fuerte. En otras palabras, la extrañeza total de todas las partículas antes de la interacción fuerte debe ser absolutamente igual a la extrañeza total de todas las partículas después de la interacción. La conservación de la extrañeza explica por qué la descomposición de tales partículas no puede determinarse mediante la interacción fuerte. Cuando algunas otras partículas no extrañas chocan, se producen partículas extrañas en pares. En este caso, la extrañeza de una partícula compensa la extrañeza de la otra. Por ejemplo, si una partícula en un par tiene extrañeza +1, entonces la extrañeza de la otra es -1. Es por eso que la extrañeza total de las partículas no extrañas, tanto antes como después de la colisión, es igual a 0. Después del nacimiento, las partículas extrañas se separan. Una partícula extraña aislada no puede decaer debido a la interacción fuerte si sus productos de decaimiento deben ser partículas con extrañeza cero, ya que tal decaimiento violaría la conservación de la extrañeza. Gell-Mann demostró que la fuerza electromagnética (cuyo tiempo característico se encuentra entre los tiempos de las interacciones fuerte y débil) también conserva la extrañeza. Así, las partículas extrañas, habiendo nacido, sobreviven hasta la descomposición, determinada por la interacción débil, que no conserva la extrañeza. El científico publicó sus ideas en 1953. En 1961, Gell-Mann descubrió que el sistema de multipletes que proponía para describir partículas extrañas podía incluirse en un esquema teórico mucho más general, lo que le permitía agrupar todas las partículas que interactuaban fuertemente en "familias". El científico llamó a su esquema el camino óctuple (por analogía con los ocho atributos de una vida recta en el budismo), ya que algunas partículas se agruparon en familias con ocho miembros cada una. El esquema de clasificación de partículas que propuso también se conoce como simetría octal. Pronto, independientemente de Gell-Man, el físico israelí Yuval Neeman propuso una clasificación similar de partículas. El camino óctuple del científico estadounidense a menudo se compara con el sistema periódico de elementos químicos de Mendeleev, en el que los elementos químicos con propiedades similares se agrupan en familias. Al igual que Mendeleev, quien dejó algunas celdas vacías en la tabla periódica, prediciendo las propiedades de elementos aún desconocidos, Gell-Mann dejó lugares vacíos en algunas familias de partículas, sugiriendo qué partículas con el conjunto correcto de propiedades deberían llenar los "vacíos". Su teoría recibió una confirmación parcial en 1964, tras el descubrimiento de una de estas partículas. En 1963, mientras era profesor visitante en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Gell-Mann descubrió que la estructura detallada del camino óctuple podía explicarse asumiendo que cada partícula involucrada en la interacción fuerte consistía en un triplete de partículas con una carga fraccionaria la carga eléctrica del protón. El mismo descubrimiento fue realizado por el físico estadounidense George Zweig, que trabajaba en el Centro Europeo de Investigación Nuclear. Gell-Mann llamó quarks a las partículas cargadas fraccionadamente, tomando prestada la palabra de Finnegans Wake de James Joyce ("¡Tres quarks para el Sr. Mark!"). Los quarks pueden tener una carga de +2/3 o -1/3. También hay antiquarks con cargas de -2/3 o +1/3. Un neutrón sin carga eléctrica consta de un quark con carga de +2/3 y dos quarks con carga de -1/3 Un protón con carga de +1 consta de dos quarks con carga de +2/3 y uno quark con una carga de -1/3. Los quarks con la misma carga pueden diferir en otras propiedades, lo que significa que hay varios tipos de quarks con la misma carga. Así, varias combinaciones de quarks hacen posible describir todas las partículas que interactúan fuertemente. Gell-Mann recibió el Premio Nobel de Física en 1969 "por descubrimientos relacionados con la clasificación de partículas elementales y sus interacciones". Ivar Waller, de la Real Academia Sueca de Ciencias, al hablar en la ceremonia de premiación, señaló que Gell-Mann "ha sido considerado como un científico líder en el campo de la teoría de partículas elementales durante más de una década". Según Waller, los métodos propuestos por él "se encuentran entre los medios más poderosos para seguir investigando en física de partículas elementales". Autor: Samin D.K.
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