viernes, 4 de noviembre de 2011

Las Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza y su Partícula Mediadora

Todos los fenómenos naturales pueden describirse por medio de cuatro fuerzas fundamentales entre partículas elementales. La fuerza fuerte es la que posee mayor intensidad, luego le sigue la fuerza electromagnética, después la fuerza débil y por último la fuerza gravitacional que es la de menor intensidad.



La fuerza de interacción fuerte es la que mantiene unidos a los nucleones, es de corto alcance, es la interacción que mantiene unidos a los quarks para formar hadrones (protones, neutrones y mesones) y a los protones y neutrones para formar el núcleo atómico. Este tipo de interacciones se transmite a través del campo nuclear o campo de gluones. La partícula mediadora es el gluón. Actúan solo a distancias que tienen las dimensiones del núcleo atómico.

Las fuerzas electromagnéticas son las que determinan la estructura de la envoltura atómica, la concatenación de los átomos en moléculas y la formación de los cuerpos sólidos y líquidos. Es difícil y casi imposible señalar un fenómeno que no esté relacionado con la acción de estas fuerzas, y es difícil enumerar la diversidad de sus manifestaciones. La interacción electromagnética es la que se produce entre las partículas o cuerpos electrizados, ya sea en movimiento o en reposo. Estas fuerzas de tipo electromagnético pueden ser de atracción o repulsión, tienen un radio de acción infinito, se transmiten a través del campo electromagnético, la interacción gravitatoria se transmite a través del campo electromagnético y la partícula mediadora en este tipo de interacción es el fotón.

La interacción débil es la responsable de cierto tipo de desintegraciones, como la desintegración beta de los núcleos atómicos, es de corto alcance, es decir actúa a distancias menores que las dimensiones del núcleo de los átomos. Esta interacción es responsable de que un quark de un tipo se transforme en un quark de otro tipo como ocurre en la desintegración Beta de los núcleos, se transmiten a través del campo de bosones. Las partículas mediadoras son los bosones vectoriales W± y Z0.

Las interacciones gravitatorias son interacciones atractivas que se ejercen entre todos los objetos que poseen masa. Este tipo de interacción es la responsable de la estructura y movimiento de los grandes cuerpos en el Universo: planetas, satélites, estrellas, galaxias, entre otros. Todos los cuerpos en el Universo se atraen con fuerzas que son directamente proporcionales al producto de sus masas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que los separa, es decir las fuerzas de interacción gravitatoria se rigen por la ley de Gravitación Universal descubierta por Isaac Newton. Son las más universales de todas las fuerzas conocidas, tienen un radio de acción infinito, actúan desde las distancias pequeñísimas que separan a las partículas en el interior de los núcleos atómicos hasta las enormes distancias que separan a las galaxias en el cosmos, se transmiten a través del campo gravitatorio y se supone que las partículas mediadoras en las interacciones de tipo gravitatorio son las llamadas gravitones.



Según estudios de física, se conoce que la fuerza es la causa de la variación de la velocidad de los cuerpos, la causa de la variación de su estado mecánico, la causa de que un cuerpo se mueva por una trayectoria curvilínea, la fuerza es un concepto que nos da la medida de la interacción entre los cuerpos, las fuerzas no existen aisladas, siempre surgen de la interacción entre los cuerpos, existen en parejas.

Existe una gran variedad de fuerzas en el Universo: las fuerzas que mantienen a los planetas, cometas y otros cuerpos orbitando alrededor del Sol, las que permitieron la formación de galaxias y el lanzamiento de naves espaciales, las que se producen entre cuerpos electrizados, la que hace que las partículas se muevan en los grandes aceleradores, las que mantienen a los electrones ligados al núcleo de los átomos, las que permiten la flotación de los barcos, o que un globo ascienda en el aire.


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Interacción Fuerza Fuerte

En el interior del núcleo, los nucleones ejercen una fuerza atractiva intensa sobre otros nucleones próximos. Esta interacción, conocida como Fuerza nuclear fuerte o fuerza hadrónica, es mucho más intensa que la fuerza electrostática de repulsión que existe entre los protones y muchísimo más intensa que la fuerza gravitatoria que se da entre los nucleones. La interacción nuclear fuerte es aproximadamente la misma entre dos neutrones, dos protones, o un neutrón y un protón. Naturalmente, entre dos protones se ejerce una fuerza electrostática repulsiva mutua debida a sus cargas, que tiende a debilitar ligeramente la atracción entre ellos. La interacción nuclear fuerte disminuye rápidamente con la distancia y es despreciable cuando dos nucleones se encuentran a una distancia mayor de unos pocos femtómetros. (Tipler, P y Mosca, G, 2010).


Uno de los logros más importantes de la Física de Partículas ha sido el descubrimiento de un patrón con el que clasificar gran parte de las partículas que interaccionan fuertemente, denominadas hadrones, llamado modelo quark, según el cual los hadrones están compuestos por los quarks u (arriba), d (abajo), s (extraño), c (encanto), b (belleza) y t (top) y los antiquarks correspondientes. Cada uno de estos quarks transporta un número cuántico característico, denominado sabor. De acuerdo con este modelo, los mesones están constituidos por un quark y un antiquark mientras que los bariones están constituidos por tres quarks. Los quarks se suponen fermiones (espín=ħ/2), pero con una carga igual a una fracción de la carga del protón (q=2e/3 ó –e/3). Los números cuánticos (espín, sabor, paridad y carga) de la mayor parte de los hadrones conocidos se pueden explicar mediante este modelo. Por ejemplo, en la figura 1 se muestra el espectro de excitación del nucleón hasta masas de 1700 MeV/c2, en el que los estados excitados se identifican por los valores del isospín (I=1/2 para los estados N* e I = 3/2 los estados ∆) y del momento angular y paridad. Los números cuánticos de los estados excitados mostrados, y en menor medida sus masas, se explican satisfactoriamente mediante el modelo quark. Estos estados no son realmente estados estables, sino resonancias de vida media muy corta, que se manifiestan como máximos de la sección eficaz de excitación, y se observan para distintos tipos de proyectiles y blancos. (Díaz J. y Nieves J, 2008).





Un aspecto crucial de la Física de hadrones es la descripción de sus interacciones a partir de las interacciones entre los quarks que los forman. En los años 70 se desarrolló la teoría de la Cromodinámica Cuántica (QCD), en la que las interacciones entre quarks se describen mediante el intercambio de bosones denominados gluones. Tanto a los quarks como a los antiquarks se les asigna una propiedad denominada color, similar a la carga eléctrica, y que tiene tres valores distintos, tal y como se deduce del análisis de la razón de secciones eficaces σ (e+e– → hadrones)/σ (e+e– →µ+µ–) ó de la anchura de desintegración del proceso π0 → γγ. Los gluones, mediadores de la interacción entre los quarks, aparecen en ocho estados de color diferentes y tampoco se han observado como partículas libres, aunque se cree que también se encuentran ligados en el interior de los hadrones. Sin embargo, existen sólidas evidencias experimentales de su existencia a partir de la observación de procesos a alta energía, en los que se observan chorros de hadrones llamados jets. Concretamente, en colisiones electrón-positrón a alta energía, el número relativo de sucesos e+e– → 2 jets y e+e– → 3 jets coincide con la proporción predicha por QCD para los procesos e+e– → qqˉ y e+e– → qqˉ g donde q representa un quark, qˉ, su correspondiente antiquark y g un gluón. (Díaz J. y Nieves J, 2008).

Las masas de los hadrones en el seno de materia hadrónica densa y caliente podrían ser diferentes que en el vacío hadrónico. Además, al producirse una disolución parcial de los hadrones en sus quarks constituyentes, se favorecería su desintegración, produciéndose una disminución de su tiempo de vida. La investigación experimental de las modificaciones sufridas por las propiedades de los hadrones en la materia nuclear es, por tanto, de crucial importancia para entender el grado de ruptura de la simetría quiral en materia nuclear en función de su densidad y temperatura. Estas investigaciones son también relevantes para entender las propiedades de determinados tipos de astros, como las estrellas de neutrones y las explosiones de estrellas supernovas, que se pueden considerar en cierta forma como núcleos atómicos gigantescos. (Díaz J. y Nieves J, 2008).




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Fuerzas gravitatorias

Cuando
hablamos de fuerza gravitatoria hablamos de fuerzas que se perciben diariamente
y a gran escala, es por ella que caminamos y no flotamos. (Getty, Keller, 2006)
Fue descubierta ya hace muchos años por un brillante físico llamado Isaac
Newton, el cual logró unificar las distintas ideas que se tenían. En sus años
era sabido que la tierra orbitaba en torno al sol, la existencia de otros
planetas y que ellos también orbitaban en torno a él, también era sabido que
las cosas al dejar de sostenerlas se caían con la misma aceleración llamada
aceleración de gravedad su valor a nivel
del mar más aceptado actualmente es de 9.8 m/s2. Lo brillante de
Newton fue darse cuenta que todos esos fenómenos ocurrían por un sólo motivo,
al cual llamó fuerza gravitatoria.
La
fuerza de atracción gravitatoria entre dos cuerpos es un fenómeno universal:
todas las partículas ejercen entre sí una fuerza gravitatoria de atracción. (Román,
2006) Como bien se dijo esta fuerza fue descubierta por Newton y publicada en
1686, cuando le cayó una manzana en la cabeza mientras hacia una siesta debajo
de un manzano.
Esta
ley dice lo siguiente:
“Toda partícula material del
Universo atrae a cualquier otra partícula con una fuerza que es directamente
proporcional al producto de las masas de ambas partículas, e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y dirigida según la
recta que las une”.
Dicha
información se representa por medio de la siguiente fórmula:

En
esta fórmula, podemos señalar los siguientes aspectos:
· Las fuerzas gravitatorias son siempre de
atracción, no existen fuerzas gravitatorias de repulsión.
· Las fuerzas se producen a pares, por ejemplo,
la Luna atrae a la Tierra con la misma fuerza con que la Tierra atrae a la
Luna.
· Los cuerpos se comportan como si toda su masa
estuviera concentrada en su centro de gravedad, entonces R es la distancia
entre los centros de las esferas planetarias. (Fuerza eléctrica)
Cuando
Newton publicó por primera vez su teoría de la gravitación, para sus contemporáneos
fue difícil aceptar la idea de un campo de fuerza que pudiera actuar a través
de una distancia. Se preguntaban cómo era posible que dos masas interactuaran
aun cuando no estuvieran en contacto entre sí. (Caicedo, Gravitacion) Aunque el
propio Newton no pudo responder a esta pregunta, su teoría fue ampliamente aceptada
debido a que explicó de manera satisfactoria el movimiento de los planetas.
Un
planteamiento alternativo en la descripción de la interacción gravitacional, por
lo tanto, es introducir el concepto de un campo gravitacional que cubre cada
punto en el espacio. (Ley de gravitación universal)
Hasta
la fecha se desconoce la existencia de la partícula portadora de esta
interacción. Se supone su existencia y es llamada “gravitón”, a pesar del
esfuerzo de algunos, su existencia no está totalmente probada.
Para
comprender este tipo de fuerza observemos el siguiente video:
http://www.youtube.com/watch?v=n6k-XcK1MXQ

Fuerzas electromagnéticas

Los
átomos pueden mantener electrones orbitando en torno al núcleo, debido a la
interacción electromagnética. Como se sabe, el electrón tiene carga negativa y
el núcleo carga positiva, por lo cual estos se atraen y logran contrarrestar
las cargas, para que esto ocurra debe existir el mismo número de protones y
electrones en el átomo, o sea el átomo debe ser neutro, aunque estos también
pueden ionizarse ganando o perdiendo electrones. (Román, 2006) Existe una partícula fundamental que es la
responsable de que esta interacción se realice y es el fotón. El fotón es una
partícula sin masa y viaja a la velocidad de la luz, los fotones pueden ser
absorbidos o emitidos por el átomo.
Por
lo general, los electrones en un átomo se encuentran en estados de menor
energía, sin embargo para que un átomo pueda liberar electrones se necesita que
fotones choquen con él, llevándolo a niveles de mayor energía, estos niveles se
denominan estados excitados. Existen fotones específicos que logran que el
electrón abandone su átomo y quede en libertad. En resumen al chocar un fotón
de cualidad especial con un átomo, libera un electrón. De esta forma podemos
encontrar en la naturaleza átomos cargados eléctricamente, los cuales son
llamados iones.
Cuando
se estudiar este tema se puede llegar a conocer cómo funcionan las cargas
eléctricas, las fuerzas que intervienen en la interacción entre ellas a través
del campo eléctrico, cómo se relacionan con la materia, cómo se comportan en
presencia de un campo magnético y cómo podemos cuantificar y describir los
fenómenos asociados.
La
fuerza eléctrica es proporcional a las cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia entre ellas. (Fuerza eléctrica)
Para
comprender este tipo de fuerza observemos el siguiente video:
http://www.youtube.com/watch?v=nePqOzswtfQ

La fuerza de interacción débil.

Es una fuerza que se ubica en el interior  de los átomos  y en conjunto a las fuerzas de interacción fuertes están llenas de  misterio.
Es la fuerza que explica el por qué de la radioactividad, es el enigma de la química  al convertirse Uranio en Plomo, además de la desintegración de otros  átomos.
Este tipo de interacción es la responsable de la  emisiones beta, en este caso  cientos de átomos  presentan un exceso de  neutrones algunos se decaen y se transforman en protón o puede ser el caso en electrón o un antineutrino.
Proceso de radiactividad natural del Uranio

De estos últimos hoy se conoce que existen tres diferentes tipos.
En 1929 Pauli  propone la emisión  de los neutrinos, y además postulo que de las emisiones  conocidas  Alfa, Beta, Gama, debían emitirse otras partículas   a  las que denominó neutrinos y antineutrinos y que los mismos no presentan masa y además de una carga nula.
Para 1953 las predicciones de Pauli se confirman, esto cuando los científicos Reines y Cowan descubren los neutrinos de esta forma se confirma lo que propuso Pauli.
La fuerza de interacción débil presenta ciertas características las cuales  según (Roman)  se denomina:
“Acción: Actúa sobre las partículas denominas leptones y quarks.
Alcance: Menos de 10-15m “
Se puede agregar  a estas propiedades la que cita  (Montiel, 2011) cuando se refiere a esta fuerza y menciona:
“la fuerza interacción débil es capaz de vencer la repulsión  electrostática entre los protones”
Otra propiedad que presenta esa  interacción débil o  fuerza débil es,  su partícula mediadora la cual son  los bosones en 1937 el  sueco Oskar Kleim predijo la existencia los bosones cargados W+ , W-.
Para    1958 Jheon Ward cierra las ideas virtuales  del campo nuclear  débil al proponer  la existencia de la existencia del boson Z
La existencia de los anteriores bosones fue confirmado en 1983, de hecho su descubridores  recibieron el premio nobel por su trabajo  según cita (Freedaman, Sears, Young, & Zemansky, 1999)
“la partículas W+ ,W-, Z  son de corta duración , la existencia de esta partícula fue confirmada en  1983  en experimentos llevados en el CERN por lo que Carlos Rubbia y Simón  van der Meer  se les otorgo el premio noble de física en 1984”.
A pesar  de que en nuestros días la radiactividad ya no es algo tan nuevo, surgen otras interrogantes con respecto al comportamiento de los núcleos atómicos, porque  en ellos existe mucha información del ¿cómo funciona muchos aspectos físicos del universo?,  entre estos la existencia de la materia oscura, y ¿si existe? ¿Cuál es su composición? son tanto los enigmas que encierra las fuerza nucleares que es imposible omitirlas.
La figura representa el decaimiento Beta 

Conclusión

Existen cuatro fuerzas fundamentales las cuales presentan posibles partículas que le es inherente a esta.   La partícula del para fuerza gravitaría es el gravitón, mientras que la fuerza nuclear fuerte utiliza la partícula gluon, por otro lado la partícula de la fuerza  electromagnética es el fotón y finalmente la partícula de interacción nuclear débil presenta unas partículas denominadas partículas llamadas bosones W+, W-,Z0 .
La fuerza nuclear fuerte y débil reside en el nucleo, para la fuerza de la gravedad es la más importante entre dos objetos que están separados, mientras tanto los átomos y las moléculas se mantienen ligadas por las fuerzas de la electricidad.
Las fuerzas fundamentales de la naturaleza  son las mismas para toda la materia en el universo.
De ahí que científicos como Einstein trabajo sus últimos anos en el estudio de estas fuerzas  para crear una solo teoría  de fuerza, durante  los últimos años se habla de interacción  electromagnética y débil  ahora  se habla de  electrodébil  y en cierto sentido esto reduce  el número de clases  de interacciones de 4 a 3. También  se ha intentado  entender las interacciones  fuerte, electromagnética y débil  dentro una sola gran teoría unificada (GUT) se ha dado los primeros pasos tentativos hacia una posible unificación  de todas las interacciones en una   teoría de todo (TOE), Esta teorías  aun no son  especulativas, y hay muchas preguntas sin respuesta en este campo de investigación tan activo.


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http://www.youtube.com/watch?v=6Olw4gjuyFM&feature=related