Física de Partículas en Conceptos : Distancias

Este pretende ser el primero de una serie de entradas que intentarán explicar algunos de los conceptos básicos necesarios para entender las cosas que hacemos en el CERN. Un buen argumento para empezar es el de distancias.

Muchas veces es difícil hacerse una idea de cuales son las distancias a las que nos enfrentamos en física de partículas. El rango de distancias es muy amplio, mucho más de a lo que nos enfrentamos en nuestro día a día.

En física un concepto muy utilizado es el orden de magnitud. Si hablamos de ordenes de magnitud, el ser humano es del orden de magnitud del metro (más pequeño de 10 metros y mas grande que 1/10 m). Así la distancia de la tierra al sol es del orden de 100 millones de kilómetros o 10¹¹ metros (un 1 seguido de 11 ceros). La vía láctea se extiende hasta 10²¹ metros y todo el universo visible llega hasta los 10²⁶ m. Si miramos a las cosas pequeñas, el ojo puede llegar a observar hasta alrededor de la décima o centésima de milímetro (10^-4 a 10^-5 m). Es fácil entender distancias entre digamos 10^-5 a 10¹¹ m pero la naturaleza se extiende en ambos sentidos, en física de partículas estamos interesados en lo pequeño, mas allá de 10^-5 m.

El átomo se creía la pieza fundamental de la materia, su tamaño es del orden de 10^-10 m. Un átomo es mas de 10000 mas pequeño que un cabello humano. Esto significa que está no es posible ‘ver’ un átomo, la luz tiene una longitud de onda de 10^-6 a 10^-7 m (esto lo explicaremos en otra entrada).

Pero como sabemos, los átomos son elementos compuestos. El núcleo del átomo es a su vez 10000 mas pequeño que el átomo. Si átomo fuera un campo de fútbol (unos 100 m), el núcleo seria menor que una moneda de 1 céntimo de euro. Si vamos a los constituyentes del nueclo (los protones y neutrones), estos a su vez están formados por quarks, estamos hablamos otra vez de partículas del orden de 10000 veces más pequeñas que los protones. El tamaño de los quarks es por lo que se conoce menor de 10^-18 m. Esto puede dar una idea de las escalas que se investigan en aceleradores como LHC aunque se hace difícil de visualizar.

La gráfica abajo muestra las escalas desde los quarks hasta el universo conocido. Otra cosa a tener en cuenta es que la comparación del átomo con el sistema solar, aunque fácil de entender no corresponde con las verdaderas escalas subatomicas. El sol es ‘solo’ 100 veces menor que nuestra órbita alrededor de él, no 10000 como en el caso de los electrones y el núcleo. 

Os aconsejo que miréis el enlace (‘scale of the universe‘) donde se pueden ver los objetos y su tamaño con una animación en flash. En todos los ejemplos anteriores he utilizado aproximaciones, no pretendiendo ser completamente riguroso sino mas bien ilustrar las diferencias.