¿Qué es el espín de una partícula?

Tras los resultados mostrados en la conferencia de Moriond, el CERN emitió un comunicado de prensa confirmando que lo que se había observado en el acelerador LHC era : nueva partícula, un bosón y en particular un bosón de tipo bosón de Higgs. En realidad esta era la hipótesis de los estudios que se presentaron durante la conferencia de Moriond. Los esfuerzos se centraron en medir las propiedades de la nueva partícula y en particular los resultados hablaban del espín o spin (inglés) del bosón de Higgs, ver por ejemplo la entrada “el espín del bosón de Higgs”. Para antes de intentar explicar porqué esto es tan importante, veremos en esta entrada qué es el espín de una partícula.

spinning_topEstamos acostumbrados a describir las cosas usando comparaciones, es la forma más visual de explicar un concepto. Cuando se descubrió que el átomo estaba formado por un núcleo y  electrones, el modelo que se utilizó fue un modelo a imagen del sistema solar: un núcleo masivo en el centro rodeado de electrones, orbitando al igual que los planetas alrededor del sol. Con el descubrimiento del espín ocurrió algo parecido.

El nombre de espín viene de rotación en inglés (“spin”). Como un planeta, las partículas podrían rotar sobre si mismas, creando un campo magnético.  Siempre que tenemos una partícula cargada en movimiento se crea un campo magnético. Las partículas cargadas se comportarían como pequeños imanes con un momento magnético, el espín. En los libros se puede ver cuando se habla de espín el dibujo de una peonza. Pero aunque esta es la forma en que utilizando la mecánica clásica podemos intentar comprender el espín, esta idea es errónea. Veamos porque y para ello lo mejor es hablar de como se descubrió.

2SolarSystemAtomEl descubrimiento del espín se remonta al 1921 y al experimento que realizaron los físicos, Otto Stern y Walther Gerlach. Tomaron un haz de átomos neutros (plata) y los hicieron pasar a través de un campo magnético no uniforme. Este campo magnético desvió los átomos de plata, al igual que habría desviado pequeños dipolos magnéticos (imanes). Después de pasar por el campo magnético los átomos de plata se hacían chocar contra una película fotográfica dejando pequeños puntitos visibles en la placa. Por esto se utilizaron los  átomos de plata, se comportan como el hidrógeno en un campo magnético pero son más fáciles de detectar en una placa fotográfica. El resultado obtenido fue inesperado y sorprendente.

sterngerlachEl haz de átomos de plata utilizados no tenía ninguna orientación especial, bajo estas circunstancias el resultado que se esperaba según la mecánica clásica era como el de la figura de arriba (‘classical expectation‘). El campo magnético desviaría a unos átomos más que a otros dependiendo de su orientación con respecto al campo magnético. Sin embargo lo que se obtuvo fue la forma de la izquierda. Solo se observó un contorno de puntos en la placa, en el centro no había nada. La única explicación a este hecho era que el momento magnético, el espín, solo podía tener dos orientaciones en el espacio. Esto no se podía explicar si pensamos en el átomo como una peonza. Para el caso del experimento de Stern y Gerlach, la figura es solo cierta si el momento orbital del electrón era cero ( electrón en el estado fundamental, l=0 ).

Con un experimento relativamente simple, se llegó rápidamente a una conclusión errónea para el espín. La analogía de la peonza nos ayuda a comprender el concepto de espín, pero también nos engaña ya que muy rápidamente llegamos a conclusiones que no son ciertas sobretodo en el momento en que topamos con la física cuántica. La mayoría de las propiedades del espín no se pueden explicar si pensamos en el electrón (partícula) dando vueltas sobre si mismo. En realidad el espín es algo nada intuitivo y realmente su definición en física es la de ‘un grado de libertad‘, un momento angular intrínseco sin una correspondencia en la mecánica clásica.  Esta propiedad de las partículas es muy importante en física de partículas como ya hemos comentado en otras entradas (ver por ejemplo “Einstenion de Higgs”). En la siguiente entrada hablaremos con más detalle de su relación con la física cuántica, simetría y la clasificación de las partículas.

Continúa en : El espín, la simetría y el Modelo Estándar

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