Diseño gráfico y visualización científica en física de partículas

Un protón formado por tres quarks unidos por un campo de gluones. (C) CERN 2011.

Hay muchas maneras de representar una partícula, como un electrón o un quark, o una partícula compuesta, como un protón o un pión. Cada representación tiene sus ventajas y sus inconvenientes de cara al especialista y a la divulgación. En esta entrada expondré una de las que más me gusta, que incluye información sobre la carga eléctrica, la carga débil, la carga de color y el espín de cada partícula. Ha sido propuesta por el Grupo de Trabajo en Animaciones del CERN (CERN Working Group on Animations), cuyo objetivo es facilitar la divulgación de la física de partículas en animaciones, vídeos y documentales. La descubrí gracias a Rolf Landua, “Graphical representation and animations of CERN physics and technologies,” IPPOG Meeting, 4 November 2011.

Esta figura representa un quark arriba (up) cuyo espín es +1/2, su carga eléctrica es +2/3, su carga de color es “azul” y su carga débil (sabor) es “arriba.” El espín de un fermión se representa mediante un remolino blanco en el centro, que rota en el sentido de las agujas del reloj para el valor +1/2 y en sentido antihorario para el valor −1/2. [Como bien dice Mario Herrero @Fooly_Cooly en Twitter, el torbellino representa la helicidad de la partícula, la proyección del espín en la dirección del momento lineal o velocidad, correspondiendo los valores +1/2 y −1/2 a partículas levógiras y dextrógiras; también puede ser la quiralidad, el doble de la helicidad, pero sus valores son +1 o −1]. La carga de color puede ser azul, verde, rojo o neutra y se representa con la esfera colocada en el centro. La carga eléctrica positiva, negativa o neutra se representa con un color rosa, celeste o gris y se representa con la esfera más externa. El sabor se representa con uno, dos o tres agujeros según la familia de la partícula, colocados arriba o abajo.

Esta figura representa tres quarks arriba cada uno de un color diferente (azul, verde y rojo).

Ahora se muestran dos quarks rojos, uno con sabor arriba (carga eléctrica +2/3) y otro con sabor abajo (carga eléctrica −1/3).

Las cuatro partículas de la primera generación (marcadas con un solo agujero) se representan en esta figura. El electrón tiene carga eléctrica −1, es neutro para la carga de color y en este caso tiene espín +1/2. El neutrino electrónico es neutro tanto para la carga eléctrica como para la carga de color y en este caso también tiene espín +1/2.

Esta figura representa las tres generaciones de leptones, la primera con el electrón y el neutrino e (electrónico), la segunda con el muón y el neutrino mu (muónico), y la tercera con el leptón tau y el neutrino tau (tauónico). Una representación similar se utiliza para los 6 quarks, además de los de primera generación, el arriba (up) y el abajo (down), los de segunda, el encantado (charm) y el extraño (strange), y los de tercera, el cima (top) y el fondo (bottom). Te dejo como ejercicio, si te apetece, dibujar en papel estos quarks (o utilizando un programa gráfico en tu ordenador).

Las antipartículas se pueden representar de forma totalmente similar a las partículas, cambiando el signo de la carga eléctrica, cambiando el color a un anticolor y cambiando la dirección del espín [Como bien dice Mario Herrero @Fooly_Cooly en Twitter, el torbellino representa la helicidad (o quiralidad) de la partícula e invierte su valor al pasar de la partícula a la antipartícula]. Los colores RGB (rojo, verde y azul) tienen como anticolores CMY (celeste, morado y amarillo). La figura de arriba muestra los quarks y antiquarks de la primera generación, con color rojo los primeros y anticolor celeste los segundos.

Esta figura muestra los leptones y antileptones de la primera generación, en concreto el electrón, el positrón, el neutrino electrónico y el antineutrino electrónico. Hay una propiedad importante de las partículas que no ha sido representada, la helicidad, ¿cómo crees que podría ser incorporada? Te lo dejo como ejercicio.

Hasta ahora hemos visto cómo representar los fermiones del modelo estándar, pero también hay que representar los bosones gauge cuyo espín es 1 y se representará por dos ondulaciones. Esta figura representa el fotón y su color es gris porque es neutro para la carga eléctrica y para la carga de color. Como su masa es nula, su interior aparece hueco.

Los bosones vectoriales electrodébiles se representan de forma similar al fotón, pero con un color que indica su carga eléctrica y con una esfera en su interior que recuerda que tienen masa no nula.

Los gluones son bosones de espín 1 y masa nula, neutros para la carga eléctrica, pero cargados con un color y un anticolor, en este caso rojo y antiazul.

Hay 8 gluones diferentes y cada uno puede tener una de las 9 combinaciones de color que se muestran en esta figura.

La única partícula que nos queda es el bosón de Higgs. ¿Cómo lo representarías?

PS: Javier nos propone la representación del Higgs que aparece abajo, a la izquierda, aunque la recomendada es la que aparece a la derecha, similar a la propuesta por Amarashiki en los comentarios.