En la partícula divina, Lederman da un repaso a la física de partículas y el modelo standard.
El libro está bien escrito, y tiene buen nivel didáctico y técnico, sin caer en la superficialidad. Es una biografía del modelo standard por uno de sus protagonistas. Los puntos menos acertados del libro son la introducción a la física, excesivamente larga, y con una discusión pseudofilosófica con Demócrito con un nivel cuestionable. La física clásica se cubre de manera solvente pero no sobresaliente y podría haber sido acortada. Es en la discusión de la física del SXX, especialmente del modelo standard a partir de los años 50, donde el libro sobresale, y donde Lederman es uno de los principales protagonistas. Junto a la teoría se cuentan anécdotas y se introducen bromas cuyo nivel es muy desigual. En ocasiones aportan variedad y amenizan la lectura, y en ocasiones aparecen impostadas.
En resumen, un gran libro para conocer la historia de la física, y aprender sobre el modelo standard y la física de partículas. Pero algo desigual en sus secciones, lo que le hace perder algo de nivel a la obra en su conjunto.
C1: THE INVISIBLE SOCCER BALL
Existe una división entre teóricos y experimentales, cada día más acentuada y es la combinación de ambos la que hace avanzar a la ciencia. Lederman sería de los experimentalistas.
C2: THE FIRST PRTICLE PHYSICIST
Capítulo centrado en Demócrito, en los razonamientos de los griegos y analogías con el modelo actual. Además explica como los razonamientos griegos eran básicamente experimentos mentales.
Demócrito, Tales, Anaximandro o Anaximenes tenían una visión más experimental, se preguntaban el cómo y no el porqué y permitieron avances científicos.
La aparición de Platón y Aristóteles, con preguntas más filosóficas y centrándose en el porqué, acabó llevando a un camino más teológico, menos centrado en la realidad, contrario a la experimentación la que retrasó la ciencia hasta el renacimiento.
C3: THE MECHANICS
Galileo fue fundamental para el renacimiento, por su vertiente experimental y por sus razonamientos teóricos. Así permitió comprender el movimiento de los objetos, estudió el plano inclinado, los sistemas inerciales o los movimientos planetarios con el invento del telescopio y la observación de las lunas de Júpiter. Avanzando tanto la mecánica como la astronomía.
En astronomía Brahe con sus medios y su perseverancia fue fundamental para obtener datos de movimientos planetarios que posteriormente analizaría Kepler para proponer sus tres leyes. Cambiando ál modelo heliocéntrico, también apoyado por Galileo.
El año que murió Galileo, 1642, nació Newton. Newton sería fundamental como desarrollador de la ley de gravitación universal, las leyes del movimiento, la óptica corpuscular y el cálculo diferencial. Aunque tuvo una personalidad complicada, y múltiples rivales como Hooke o Leibniz.
C4: CHEMISTS AND ELECTRICIANS
En los avances químicos, primero Torriceli fue capaz de medir la presión, y crear el vacío mediante tubos con agua y mercurio. Boyle estudió la variación del volumen de gases con la presión
Lavoisier revolucionó la química por su experimentación sistemática, clasificación de compuestos y primera aproximación al concepto de átomo. Mediante la combustión de gases era posible determinar la composición de compuestos, y se observaba como esta seguía proporciones fijas. Finalmente, Lavoisier fue ajusticiado víctima de la revolución.
La sistematización y ordenación de los átomos, según su peso y propiedades o afinidades corrió a cargo de Mevdelev. Mevdelev dejó incluso huecos vacíos prediciendo sus propiedades, tal como pasó con el Galio similar al aluminio o germanio similar al silicio.
Dalton, un químico amateur y sin mucha sistematicidad, acuñó el concepto de átomo y la forma en que se componen los compuestos químicos.
Los avances en electricidad por Galvani, o la pila de Volta, ayudaron al desarrollo eléctrico y químico. En la pila, la unión de diferentes metales típicamente cobre y Zinc, da lugar a una corriente.
En los avances eléctricos Coulomb desarrolló la ley de Coulomb y Amper que una corriente induce un campo. Fue Faraday el más relevante de los desarrolladores de la electricidad, de orígenes humildes fue capaz de explicar la inducción electromagnética y propuso la idea de campos para los mismos. Inventó el motor eléctrico, demostró la relación entre electricidad y compuestos químicos, etc.
Maxwell tomó la idea de campos dándole formalismo matemático. Hertz avanzó en la teoría de Maxwell, hizo estudios de radiofrecuencia, confirmando la naturaleza de campos y que la RF es equivalente a la luz, a diferente longitud de onda. Además, Hertz simplificó las leyes de Maxwell al estado que las conocemos actualmente.
La teoría de Maxwell predecía la velocidad de la luz, con el valor que ya había sido medido por Fizeau mediante su sistema de ruedas y espejos.
A finales de siglo se observó que un voltaje aplicado en un tubo de vacío producía un rayo, los rayos catódicos. Estos eran un misterio. Ensayando se observó que deflactaban en un campo magnético, o eléctrico. Pero era imposible dilucidar su carga o masa por separado, solo la relación carga masa. Finalmente J.J. Thomson, director del Cavendish propuso que se trataba de electrones, que eran extraidos de la materia. Así pues, los átomos ya no eran indivisibles como se pensaba. Para calcular el ratio carga masa, Thomson utilizó un deflector eléctrico y magnético, ajustando la intensidad para que no deflectase. Para la medición de la carga utilizó una cloud chamber, que había inventado poco antes Wilson.
C5: THE NAKED ATOM
En el siglo XIX se conocieron las líneas espectrales del hidrógeno, por Fraunhofer o Kirchoff, lo que no tenía explicación. La catástrofe ultravioleta resuelta por planck, el efecto fotoeléctrico explicado por Einstein, y el scattering de alphas explicado por Rutherford, eran todos ingredientes para proponer una alternativa al modelo clásico.
Bohr propuso su modelo atómico con niveles cuantizados y que explcia la líneas de Fraunhofer. Posteriormente la longitud de onda de de Brogile ayudaría a postular la dualidad onda partícula, y finalmente se desarrollaría la mecánica cuántica con Schrodinger, Heisenberg como principales exponentes. Born interpretaría que la función de onda, es la probabilidad de un evento, y Dirac amplió la mecánica cuántica para partículas relativistas, lo que resolvía la aparición de espines, y prevería la antimateria. Lo que fue corroborado por Anderson con el descubrimiento del positrón en 1932.
C6: ACCELERATORS
Para el estudio del núcleo son necesarios aceleradores. Las moléculas tienen energías de 0.1 eV, el átomo de eV, el núcleo de 1-1000 MeV, los neutrones/protones de 1GeV, efectos de quarks en los 10-100 GeV.
Los primeros aceleradores consistían en descargas a gran potencial, como el de van de Graff o el Cockcroft Walton con energías de ~500 keV en los 20-30. Lawrence, a partir de la idea de Linac de Wideroe, desarrolló el ciclotrón en los 30, con el que en 1932 llegó a 1.2 MeV o 5 MeV en 1934, 20 MeV en 1939. Para solventar las limitaciones del ciclotrón, el syncrotron se fue desarrollando en los 40-50, llegando a energías mucho mayores.
Algunos avances para los aceleradores fueron el estudio de la estabilidad de fase, el strong focusing con la forma de los imanes, la aceleración en cascada utilizando diferentes tecnologías (linac+syncrotron), y finalmente la superconductividad para imanes.
Otro avance fue la aparición de colisionadores, lo que multiplica la energía disponible en comparación con targets estáticos, y la posibilidad de estudio de nuevas partículas.
Respecto a los detectores, evolucionaron de cloud chambers, a cámaras de burbujas, wire chambers, detectores de tiempo de vuelo, centelleadores y semiconductores. El desarrollo de DAQ, propició el paso de detectores analógicos (mediante fotografía) a digitales.
VIOLATED PARITY
Hasta 1957 se pensaba que se conservaba la paridad, ya que esta se observaba en la interacción EM y fuerte. Sin embargo Lee y Yang habían propuesto que no se conservase en la débil, y Wu estaba experimentando con decaimientos para probarlo. Lederman decidió también probar con experimentos de muones en Fermilab. El experimento medía el decaimiento de muones (electron+neutrinos), comprobando la dirección de los electrones en comparación con el muon padre. Se observaron diferencias lo que indicaba que se rompía la paridad.
C7 ATOM
Las interacciones de partículas se explican mediante el electromagnetismo, interacción fuerte y débil.
El electromagnetismo avanzó gracias a Dirac con la ecuación cuántica relativista. Sin embargo, aparecían infinitos, lo que exigía renormalización, modificando la masa/carga a los valores experimentales. Una vez renormalizada se tienen QED.
La fuerza débil fue inicialmente propuesta por Fermi. La interacción débil no tiene paridad C, pero si CP. Aunque paridad CP no es respetada universalmente, el experimento Fitch Cronin desmostró que no se cumple para kaones. En el experimento de los dos neutrinos se demostró la existencia de neutrino electrónico y muónico. La interacción débil propuesta por fermi hace un decaimiento d-->e + e- + nu, es decir cuatro partículas, sin embargo un vértice debe tener tres partículas, por lo que debe haber un intermediario. Estos serían las partículas Estas W y Z, con masas de 70-90 GeV, descubiertas en los 80 en el CERN por Rubia y van de Meer. Se descubrieron en el SPS, colisionador de hadronres, gracias a la técnica de van der Meer de stocastic cooling para antiprotones. Con el descubrimienteo de W, Z, y posterorment el Higgs, se da lugar a la unificación electrodébil. Analizando la dispersión de energía de la Z, se concluye que solo puede haber 3 generaciones.
La interacción fuerte media entre quarks y gluones. Para el modelo de quarks fue necesario primero el 8-fold y 10-fold, clasificando los diferentes hadrones (bariones y mesones). Esto sugería una composición interna con 3 quarks, propuesto por GellMann, o que pudo ser demostrado también mediante deep scattering. Con el deep scattering se observó también la liberta asintótica de los quarks, y se explica por qué no se pueden ver aislados. Cuando se intenta aislar un quark, la interacción fuerte aumenta, y la energía necesaria también, lo que provoca que antes de separar el quark se genere un par quark/antiquark, es decir un mesón, lo que impide ver quarks aislados. Con el modelo de quarks se demostró también la existencia de gluones, y se incluyó el color como equivalente a la carga. Para demostrar la existencia de gluones se hicieron experimentos que dan lugar a jets de hadrones, lo que indicaría un gluón que se ha ido recubriendo de hadrones. Desarrollándose así la cromodinámica. La interacción fuerte conserva el número el isospín, strangeness o charming, pero estos pueden cambiar (decaer) mediante interacción débil. En la llamada revolución de noviembre (1972-1973) se descubrió el cuarto quark c (charming). Este se descubrió a partir del charmonium o J/phi, cerrando la segunda generación. A partur de 1977 se descubriría la tercera generación b,t.
C8- THE GOD PARTICLE
El Higgs, explicaría cómo se rompe la simetría electrodébil, dando masa a las partículas W, Z. El campo de Higgs, explicaría cómo adquieren masa todas las partículas. La forma en la que el Higgs da masa, podría ser similar a como el campo magnético desdobla los niveles de energía de un átomo, rompiendo su simetría.
Cada ley de conservación se corresponde con una simetría, lo que fue propuesto por Emmy Noether en 1918. Así la traslación se corresponde con conservación de momento, la rotación con conservación de momento angular, y la traslación temporal con conservación de energía.
C9: INNER SPACE, OUTER SPACE
Más allá del modelo standard están la teoría Susy, GUT o TOE. La GUT pretende la unificación electrodébil y fuerte a muy altas energías. La Susy explicaría simetrías mediante una supersimetría y partículas supersimétricas, aunque su no detección en el LHC es un punto en contra. La TOE se basa en la unificación con la gravedad, y su máximo exponente es la teoría de cuerdas, es una teoría matemáticamente muy compleja, y sin posibilidad de evidencia experimental.
Además de la física de partículas, la cosmología y el el bigbang aportan evidencia de modelo atómico. Explicando como se formó la materia. Y queda la incógnita de la materia oscura. La expansión del universo se explicaría mediante el modelo inflacionario del Big Bang propuesto por Gurth.