Autores:

 Keilyn Marín, Maricruz Juárez, Luis Enrique Jiménez.

INTRODUCCIÓN

     El trabajo que a continuación se presenta trata sobre el tema de fuerzas fundamentales de la naturaleza. Quizás muchos de nosotros no sabemos cuáles que son las fuerzas fundamentales de la naturaleza sus funciones o bien como es que estas rigen en el mundo subatómico.

     En realidad solamente existen 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza descubiertas hasta el momento y entre las cuales podemos encontrar: la fuerza gravitatoria la cual muchos de nosotros ya la conocemos, la fuerza electromagnética la cual ya muchos de nosotros sabemos que es y por último las dos últimas fuerzas las cuales quizás muchos no saben que existían y que son  la nuclear fuerte y la nuclear débil.

     Todas estas fuerzas fundamentales de la naturaleza son fuerzas las cuales afectan directamente a las partículas elementales y para el estudio de estas mismas se requiere de algunos hallazgos experimentales.

     Por consiguiente a continuación se va a estudiar detalladamente cada una de las fuerzas elementales de la naturaleza y algunas de las teorías existentes que explican estas mismas. Esperamos que la elaboración de este proyecto les sirva de gran utilidad.

FUERZA DE GRAVITATORIA

Imagen cortesía de: http://eresfisicoynolosabes.blogspot.com/

 

Si bien es cierto ya conocemos que la fuerza gravitatoria es la fuerza con que la tierra atrae los objetos asía su centro terrestre también podemos encontrar según Montiel (2011) que también:

 “Es la fuerza de atracción que una porción de materia ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. Su intensidad es mínima entre las partículas que intervienen en los procesos atómicos, pero es esencial a gran escala porque su alcance es infinito, aunque decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, según la ley de Newton. Su importancia reside en que siempre es atractiva y, por tanto, se acumula, aumentando con el número de partículas en juego. De este modo, la gravitación es la fuerza preponderante a escala macroscópica, a pesar de que se trata de la más débil de todas las interacciones. Es la responsable de la atracción universal entre los cuerpos, de la cohesión de los astros (planetas, estrellas, satélites...) y regula sus movimientos. Podemos afirmar que es la fuerza que mantiene el orden y el equilibrio en el universo y la que provoca, al mismo tiempo, la colisión entre galaxias vecinas y la creación de nuevas estrellas. 

     En 1915, Einstein, tras desarrollar su teoría especial de la relatividad, sugirió que la gravedad no era una fuerza como las otras, sino una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo por la presencia de masa (o energía, que es lo mismo), formulando su teoría general de la relatividad. Entonces, cuerpos como la Tierra no se mueven en órbitas cerradas porque haya una fuerza llamada gravedad, sino que describen trayectorias parecidas a líneas rectas, pero en un espacio-tiempo que se encuentra deformado por la presencia del Sol.

     Con todo, Einstein propone una teoría clásica, ya que no introduce los conceptos cuánticos que describen el mundo microscópico. Los intentos realizados por cuantizar la interacción gravitatoria implican la existencia de un bosón mediador de la interacción, el gravitón, de masa nula y número cuántico de espín 2, que no ha podido ser detectado aún. Dicha partícula virtual sería la intercambiada entre las partículas subatómicas (o fermiones) que se ven afectadas por la gravedad en un instante dado”.

(P.1,2)

FUERZA ELECTROMAGNÉTICA

     La fuerza electromagnética es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Según (Hernández, 2011) es en este tipo de fuerza donde se lleva a cabo la participación de cargas de repulsión y atracción, las cuales hacen que exista un flujo de electrones. Se da de la combinación de la fuerza eléctrica y fuerza magnética. La fuerza, que se realiza a través de fotones, es responsable del mantenimiento de los electrones y los protones en un átomo, y manteniendo unidos a los átomos de una molécula.

Imagen 1.Fuerza Electromagnética

     Los fotones y fotones virtuales son el mensajero partículas de una fuerza electromagnética. Al no tener masa y, así como la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz, los fotones son capaces de llevar a la fuerza y atraer a los electrones y los protones juntos. En lugar de empujar o tirar de las partículas con la fuerza electromagnética que transporta, el fotón portadoras de fuerza realmente cambia el carácter de las partículas, con lo que la creación de átomos y moléculas.

     En el siglo XIX, en 1819 Hans Christian Oersted descubre la relación entre los fenómenos magnéticos y eléctricos. Otros científicos, como Ampere, inspirado por el descubrimiento de Oersted, inicia sus investigaciones llegando a desarrollar una teoría bastante fundamentada sobre el electromagnetismo.

     En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del electromagnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico. Los electroimanes y solenoides tienen un gran uso en la industria y la tecnología: relés, motores, generadores, transformadores, altavoces, micrófonos, etc. El siguiente enlace brinda más información sobre este tipo de fuerza www.youtube.com/watch?v=nePqOzswtfQ. 

     Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos. Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos electroimanes para elevarse por encima de los rieles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas (Buenas Tareas, 2010).

Imagen 2. Aplicaciones de fuerza electromagnética

INTERACCIÓN FUERTE Y DÉBIL. LAS PARTÍCULAS QUE LAS CONSTITUYEN

     Desde la antigüedad el hombre se ha propuesto conocer el origen de los sucesos que ve diariamente, iniciando desde escalas macroscópicas hasta las que no se percibe a simple vista.

     Sears, Zemansky, Young, Freedman (2005), nos cuentan como desde épocas tan remotas como “el año 400 a.C. Demócrito y Leucipo, filósofos griegos, sugirieron que la materia estaba hecha de partículas indivisiblea las que llamaron átomos”. Hasta el año 1804 John Dalton fue quien sugirió que mucho de los procesos que vemos a diario se explicarían si tomamos los átomos como “bloques de construcción básicos e indivisibles de la materia”.

    Estos bloques por mucho tiempo fueron considerados como solo cuatro, a saber, el fotón, el electrón, el protón y el neutrón.

    Durante el siglo XX y el presente se han encontrado cientos de nuevas partículas subatómicas, su descubrimiento inicio en 1935 cuando el científico japonés Hideki Yukawa sugirió la existencia de los mesones, partículas que servirían como mediadoras entre las fuerzas que unen el nucleó y el descubrimiento un año después, en la radiación cósmica, dos nuevas partículas los muones (p. 1669, 1673).

     Podemos ilustrar lo anterior con la imagen 1, la cuál muestra una representación artística del interior del núcleo atómico.

Imagen 1. Representación artística del interior del núcleo atómico. Las esferas de color representan las partículas del nucleón (nucleón) y las líneas irregulares sus interacciones (fuertes). Fuente: Panda Collaboration (s.f.)

  

    Para describir el átomo se tiene que hablar de las fuerzas que lo mantienen unido, es decir las fuerzas nucleares que hasta el momento se consideran que son dos, a saber, la interacción fuerte y la interacción débil.

     La interacción fuerte media entre las partículas más masivas o nucleones y su fuerza es superior a la interacción débil y a las más conocidas electromagnética y gravitatoria. Por su parte la interacción débil se ve reflejada en los procesos de decaimiento atómico ejemplificados en los procesos radioactivos y como su nombre lo indica es la que menor fuerza posee.

Tabla 1. Propiedades de las interacciones básicas

				Fuerte
	Gravitatoria	Débil	Electromagnética	Fundamental	Residual
Actúa sobre	Masa	Sabor	Carga eléctrica	Carga de color
Partículas que la experimentan	Todas	Quarks, leptones	Eléctricamente cargadas	Quark, gluones	Hadrones
Partículas mediadoras	Gravitrón	W±, Z	Γ	Gluones	Mesones
Intensidad para dos quarks a 10-18 m	10-41	0,8	1	25	(no aplicable)
Intensidad para dos protones en el núcleo	10-36	10-7	1	(no aplicable)	20

        Para aclarar las características de los diferentes tipos de subpartículas atómicas antes de adentrarnos en su explicación se puede ver la tabla 2.

Tabla 2. Características de las partículas subatómicas y sus fuerzas

	Interacción Fuerte		Interacción Débil
Compuesta por	Hadrones, sus partículas  constituyentes son los Quarks		Leptones, son partículas elementales
Divididos en	Mesones	Bariones
Obedecen el principio de exclusión de Paulí	No Tienes spin entero Son Bosones	Si Tienen spin ½ Son Fermiones	Si Tienen spin ½ Son Fermiones
Carga Eléctrica	± o nula	± o nula	±
Masa	Muy masivo	Muy masivo	Ligero
Sabor	Down (abajo) Up (arriba) Top (cima) Charmend (encanto) Strange (extraño)	Down (abajo) Up (arriba) Top (cima) Charmend (encanto) Strange (extraño)	Electrón, muon y tau
Color	Solo lo poseen los bosones mediadores delas interacciones básicas
Ejemplos a b	Pion (π) Kaón (Κ) Eta (η)	Protón (p) Neutrón (n) Lambda (Λ) Sigma(Σ) Xi (Ξ) Omega (Ω)	Tau (τ) Muon (μ) Electrón (e-) Antineutrino (ν τ) Antineutrino (ν μ) Antineutrino (νe-)

a Cada partícula posee su correspondiente antipartícula

b Existen cientos de hadrones y solo seis leptones

INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE

    

      

    Se puede decir según B. G. Levich, V. G. Levich, (2003) que la teoría de fuerzas nucleares tiene carácter semiempírico y se basa en toda una serie de hechos experimentales, desarrollados en los grandes aceleradores  y colisionadores de partículas. El conjunto de los datos con que se cuenta ha permitido establecer las siguientes propiedades de la interacción nuclear:

1.    Experimentos de dispersión de neutrones por protones ha mostrado que entre partículas nucleares separadas por distancias de 1 X 10¹³cm a 2 X 10¹³cm actúan fuerzas de atracción muy intensas. Estas fuerzas disminuyen muy rápidamente al aumentar la distancia y no se manifiestan de modo a apreciable a distancias mayores a 2 X 10¹³cm, la atracción probablemente se ve sustituida por una repulsión.

2.    Las fuerzas nucleares no dependen de la carga de la partícula, es decir, las fuerzas nucleares que actúan entre dos protones, entre un neutrón y un protón y entre dos neutrones son iguales entre sí.

   La identidad de neutrones y protones en las interacciones nucleares indica que existe una profunda simetría entre estas partículas.

  Por ello según el punto de vista contemporáneo, el protón y el neutrón deben de considerarse como estados de carga distintos de una misma partícula, el nucleón.

    Un nucleón tiene espín ½, y en un estado de carga dado  obedece el principio de exclusión de Pauli. La interacción nuclear entre nucleones  ha recibido el nombre de interacción nuclear fuerte.

3.    El nucleón puede hallarse en dos estados de carga distintos, el protónico y el neutrónico, entre los que son posibles transiciones.

En los núcleos atómicos, donde existe una interacción nuclear entre partículas, se producen transformaciones recíprocas de neutrones y protones.

4.    La existencia de carga en los protones trae consigo dos consecuencias:

a.    Los estados de protón y neutrón son estados distintos de un nucleón.

b.    Entre dos protones, además de la interacción nuclear actúan las fuerzas de repulsión de Coulomb. Estas fuerzas cobran importancia fundamental en los núcleos pesados y determinan su inestabilidad.

5.    La interacción nuclear depende no sólo de la distancia, si no también de la interacción mutua de los spines respecto del eje que une ambos nucleones.

6.    La interacción nuclear tiene carácter de intercambio. Basada en la estabilidad de los núcleos. Esto significa que las fuerzas nucleares tienen la propiedad de saturarse. Esto decir que dos partículas ligadas por la interacción de intercambio por ejemplo dos electrones con spin antiparalelos, no pueden interactuar con una tercera partícula. Pp. 296-297.

    De la hipótesis de que el protón y el neutrón son dos estados de la misma partícula y del carácter de intercambio de la interacción nucleónica resulta la siguiente imagen intuitiva de las fuerzas nucleares: entre dos nucleones que se encuentran a distancias muy pequeñas se produce un intercambio virtual de cierta partícula que es la “portadora” de la interacción. La partícula responsable de la interacción nucleón-nucleón es el mesón π o pion.

     Para diferenciar la interacción fuerte de la electromagnética se puede según Levich (2003) tomar como parámetro la constante (sin dimensiones) de interacción f²/ħc, llamada constante de acoplamiento, formada a partir de la carga de la partícula y de las constantes universales ħ y c .La interacción nuclear fuerte también se puede caracterizar por la constante de interacción f²/ħc. Sin embargo, precisamente en eso reside la diferencia fundamental con la interacción electromagnética, puesto que la cantidad f²/ħc es del orden de uno. De esta manera, el efecto de interacción nuclear fuerte es 100 veces mayor que el electromagnetismo. Con este hecho esta ligado el nombre “interacción nuclear fuerte”.

     En el caso de la interacción nuclear fuerte. La probabilidad de emisión simultánea de un número grande de mesones es del mismo orden de magnitud que la probabilidad de emisión de un solo mesón.

     Por este motivo cada nucleón debe considerarse como una partícula rodeada de una nube de mesones π virtual.

     Que este modelo intuitivo es correcto se ve confirmado por los fenómenos de formación de múltiples mesones π en la colisiones de nucleones de alta energía.

     Así, pues, el modelo de interacción piónica  de los nucleones es mucho más complicado que el de interacción de cargas mediante fotones. La interacción entre dos nucleones incluye inevitablemente una multiplicidad de piones y su estudio debe basarse en la solución de un problema de muchos cuerpos. No se ha desarrollado aún una teoría cuantitativa lógicamente coherente de la interacción nuclear fuerte.

    

HISTORIA DEL DESCUBRIMIENTO DE LA INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL

      Según González, J (2001) el inicio del estudio de la interacción débil fue con el científico Henri Becquerel quien 1986 descubrió algunas radiaciones extrañas provenientes de las sales de uranio, luego Pierre y Marie Curie aislaron el radio, un material mucho más radioactivo que el uranio.

      Para 1899, Rutherford mostró que existían dos tipos de radiaciones, denominadas alfa y beta, luego se supo que la alfa estaba constituida por núcleos de Helio 4 y la beta por electrones.

      En 1900, Villard demostró la existencia de una radiación en el radio, la llamo radiación gamma, constituida por fotones de alta energía (unos pocos MeV).
     Luego Enrico Fermi en 1934 propuso que debería existir una fuerza que no fuese la electromagnética, ni la gravitatoria que mediara en los procesos radioactivos, esta es la interacción débil.

      Hasta 1967 se creía que esta fuerza era independiente de la electromagnética y la gravitatoria pero ese año Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, describieron lo que llamaron fue la teoría electrodébil la cual llego a unificar la interacción débil y la electromagnética. Esto constituyo un  gran avance en la tan anhelada teoría de la gran unificación.

INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL

      Esta interacción es la responsable, por ejemplo, del decaimiento beta, una conversión del neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino, después de 14 minutos en el vació. Una representación artística de esto se puede observar en la imagen 3.

Imagen 2. Representación del decaimiento beta.

Fuente: Diaz, J.(2010)l

    Antes de continuar cabe aclarar que esta es la menos estudiada de las cuatro interacciones básicas y es responsable de la radioactividad natural que presentan algunos materiales. Su magnitud es menor que la interacción  fuerte y es  de muy corto alcance (del orden de décimas de billonésimas de milímetro).  

      Para que esta interacción se de se necesitan partículas mediadoras como el fotón, estas son los bosones (spin entero), Z⁰ (sin carga), W^± con sus cargas y masas respectivas. Así si dos electrones intercambian un fotón para transmitir la interacción electromagnética, dos partículas pueden intercambiar Z⁰, W⁺ o W^- para transmitir la interacción débil.

      Los avances en los estudios de esta interacción nos presentan como la imagen que teníamos del decaimiento beta (imagen 2), se convierte en una interpretación diferente (imagen 3).
     Cuando la partícula intercambiada es W⁺ o W^- se habla de corrientes cargadas, ya que la carga eléctrica de la partícula inicial “se transmite” al bosón cargado que luego decae en otra partícula cargada. Esto produce que una partícula cambie de sabor, por ejemplo, un muón puede convertirse en su primo más liviano el electrón. El decaimiento beta ahora se comprende no como el decaimiento del neutrón en tres partículas sino que en neutrón decae en un protón y un W^-, el cual luego decae en un electrón y un antineutrino. Notase que en cada sección del proceso la carga eléctrica es conservada.

Imagen 3. Modelo actual del decaimiento beta

Fuente: Diaz J. (2010)

           

     Para lograr la unificación de la teoría electromagnética con la débil, es necesario tomar que a idea básica que la diferencia de masas entre los fotones (masa cero) y los bosones débiles (≈ 100 GeV/c²) hace que las interacciones electromagnéticas y débiles se comporten en forma muy distinta a energías bajas. Sin embargo, a energías suficientemente altas (bastante mayores a 100 GeV), desaparece la distinción, y las dos se funden en una sola interacción.

      Una dificultad más de la teoría electrodébil es que los fotones no tienen masa, pero los bosones débiles son muy masivos. Para explicar la simetría rota entre estos mediadores de interacción, se propuso una partícula llamada bosón de Higgs. Se esperaba que su masa fuera menor que 1 TeV/c².

      Este último aspecto ha causado gran conmoción en la comunidad científica estos días ya que a inicios de este mes el CERN anuncio con bombos y platillos el descubrimiento de una partícula muy similar al bosón de Higgs, si no es que es. El anuncio impacto al científico que predijo su existencia hasta las lágrimas. Un video que muestra el momento del anuncio se puede ver a continuación

y una explicación sobre este aquí

                                       

¿QUÉ ES EL BOSÓN DE HIGGS?

     Una explicación sencilla de las características de este bosón sería que es el componente del llamado campo de Higgs, el cual sería la sustancia que rodea todo en  el universo, las partículas al pasar por el campo de Higgs interaccionan en diferente medida con este y van ganando masa a su paso, esto provocaría la presencia de masa en todas las partículas. Esta partícula fue predicha con el fin de justificar la diferencia de masas encontradas entre los fotones, los cuarks y los leptones, al considerarse todos ellos partículas elementales, indivisibles, y existir diferencias entre ellas.

Imagen 4. Caricatura de Peter Higgs.

Fuente: Diaz, J. (2012).

     
      En la imagen 4 se puede ver una forma clara de explicar el fenómeno de la interacción de las partículas con el campo de Higgs. Pongamos de ejemplo que hay una sala llena de periodistas distribuidos uniformemente, entra al salón un mesero totalmente desconocido, él puede atravesar la sala sin casi interaccionar con los periodistas, en su lugar si la persona que ingresa en el salón fuese Peter Higgs los periodistas se abalanzarían sobre él, dificultándole el paso.

      En el ejemplo anterior las partículas con poca masa serían el mesero y las masivas serían Higgs. 

Si no vio el video de qué es el bosón de Higgs se lo presentamos de nuevo

REFERENCIAS

American Institute of Physics.(2012).  A look inside the atom. Recuperado de http://www.aip.org/history/electron/jjhome.htm

B. G. Levich, V. G. Levich. (1976). Mecánica Cuántica, Volumen 3. En Reverté, S.A. (Eds.), Física Teórica. (pp. 294, 296, 297, 515, 600). Recuperado de http://books.google.co.cr/books?id=QumDfuXuH4AC&printsec=frontcover&hl=es&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q=interaccion%20fuerte&f=false

Buenas Tareas, (2012). Fuerza electromagnética. Recuperado el 12 de julio del 2012:http://www.buenastareas.com/ensayos/Fuerza-Electromagnetica/2136177.html

Daub, W., Seese, W. (1996). Modelo atómico de James Chadwick. En Pearson Educación (Eds.),  Química (pp. 66). Recuperado de http://books.google.co.cr/books?id=o5Zb3_L2fMcC&pg=PA62&lpg=PA62&dq=prot%C3%B3n&source=bl&ots=G6S8zVtQgq&sig=zQ0D8015W-Z6VWpdNGfLZioFDC8&hl=es&sa=X&ei=wkz-T-naLYa-8ATur9CGCA&ved=0CFUQ6AEwBg#v=onepage&q=prot%C3%B3n&f=false

Diaz, J. (2010). Interacciones Fundamentales III. Interacción Débil. Conexión Causal. Recuperado el 04 de julio de 2012 de http://conexioncausal.wordpress.com/2010/07/18/interacciones-fundamentales-iii-interaccion-debil/

Diaz, J. (2012). CERN encuentra el bosón de Higgs. Conexión Causal. Recuperado el 10 de julio de 2012 de http://conexioncausal.wordpress.com/2012/07/04/cern-encuentra-el-boson-de-higgs/

González, J. (2001). Seminarios, El paradigma del neutrino y sus oscilaciones. Recuperado de http://www.uam.es/personal_pas/txrf/neutrino/neutrino.html

Hernández Camacho, K. (2011). Física: un enfoque práctico 10°. Didáctica Multimedia. San José, C.R. p 145-146.

Martínez, E. (s.f.). Identifica a la química como una herramienta para la vida. En CENGAGE Learning (Eds.). Química I. Con enfoque en competencia. (pp. 66). Recuperado de http://books.google.co.cr/books?id=o5Zb3_L2fMcC&pg=PA62&lpg=PA62&dq=prot%C3%B3n&source=bl&ots=G6S8zVtQgq&sig=zQ0D8015W-Z6VWpdNGfLZioFDC8&hl=es&sa=X&ei=wkz-T-naLYa-8ATur9CGCA&ved=0CFUQ6AEwBg#v=onepage&q=prot%C3%B3n&f=false

Megaconstrucciones (2012) Recuperado el 13 de julio de 2012 de http://megaconstrucciones.net/?construccion=cern-lhc 

Montiel, J, (2011). FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA. El rincón de la ciencia. Recuperado de: 

http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid2/rc-132.pdf

Nieves, J. (2012, 05 de julio). Ya tenemos el Higgs. ¿Y ahora qué?. ABC.ES. Ciencia. Recuperado el 11 de julio de 2012, de http://www.abc.es/20120704/ciencia/abci-tenemos-higgs-ahora-201207041548.html

PANDA Collaboration, (s.f.), Physics - Nucleon Structure. Recuperado el 10 de julio de 2012 de http://www-panda.gsi.de/framework/content/physics/phys_hypernuclei.php  .

Sears, F., Zemansky, M., Young, H., Freedman, R. (2005). Física de partículas y cosmología. Física Universitaria, con Física Moderna. Edo. De México, Mexico: Pearson Educación.