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.

21 pensamientos en “Diseño gráfico y visualización científica en física de partículas

  1. Una duda, ¿la imagen del antineutrino no está mal? ¿No habría que cambiar el “sabor” en lugar del spin?

    • Rocinante, está bien. El “sabor” es la generación o familia de la partícula y el antineutrino electrónico está en la misma familia que el neutrino electrónico.

      En las representaciones gráficas donde pone espín quizás sería mejor que pusiera quiralidad (o helicidad), como he aclarado en la entrada [ver notas entre corchetes]. El neutrino tiene quiralidad izquierda (por convenio es levógiro) y no se se ha observado ningún neutrino dextrógiro (si el neutrino es una partícula de Dirac, el mecanismo del columpio (seesaw), afirma que el neutrino dextrógiro existe y tiene una masa enorme por eso no ha sido observado; si el neutrino es una partícula de Majorana, la quiralidad no es aplicable al neutrino de forma estricta y no tiene por qué existir un neutrino dextrógiro). El antineutrino tiene quiralidad derecha (dextrógiro) y no se ha observado ningún antineutrino levógiro (si el neutrino es una partícula de Dirac tiene que existir y debe tener una masa enorme; si el neutrino es una partícula de Majorana, el neutrino y el antineutrino son la misma partícula).

  2. El bosón de Higgs, el del Modelo Estándar al menos, es una partícula escalar con masa. Por lo tanto, sería una esfera (indicando que tiene masa), sin espiral (tiene espín cero) y sin una esfera externa (al no tener carga). En extensiones del Modelo Estándar, donde el Higgs puede ser una partícula cargada ( en modelos de “seesaw” aparecen Higgses con doble carga, por ejemplo) o incluso portar carga de color ( en algunos modelos exóticos de GUT y SUSY) debería añadirse las extensiones correspondientes. Por otra parte, en SUSY aparecen naturalmente Higgses con una carga elemental y un Higgs pseudoescalar.

    Sobre la cuestión de la helicidad, la proyección del espín en la dirección del movimiento, yo lo pondría con una flecha. Pero la helicidad no suele ser un número práctico en los experimentos de partículas. El PDG de hecho en sus booklets prefiere usar J y P(paridad), más la carga eléctrica.

    Dado que las partículas en colliders se clasifican generalmente a nivel práctico según J (espín), carga eléctrica Q y Paridad, faltaría también saber la reflexión especular de las partículas arriba indicadas (los neutrinos son levógiros sólamente), más que la helicidad. Los neutrinos son “vampiros” porque no tienen su imagen especular como los demás.

    • Amarashiki, has dado en el clavo. Como bien dice Mario Herrero, el torbellino dentro de la partícula se interpreta mejor como la helicidad (o quiralidad) que como el espín, por ello no es necesario incluir una flecha.

      • Personalmente, no me gustan los vórtices / espirales representando espín o helicidad ( también lo pensé, pero no es inmediata la imagen como es a lo mejor el espín como un “momento angular interno”/vórtices). La razón es que puede traer reminiscencias de modelos pasados del átomo del s.XIX que sabemos no son reales, a parte de que pueden confundir la imagen física con la realidad matemática. Y además los vórtices o espirales son generalmente otra cosa en teorías no lineales…Quizás es el único “pero” a esta representación, pero que se podría resolver con algún otro elemento pictórico.

        El esquema de colores y resto de “trucos” visuales me gusta. De hecho, el problema del “sabor”(flavor) es muy posible que en algún modelo GUT/teoría BSM pueda entenderse como algún tipo de estructura interna que permita juegos/representaciones de este tipo (similar al del color en QCD). Quiero decir, asignar algún tipo de “número cuántico” o estructura a las partículas…

        ¿Nos animamos con los gravitones? ¿Y los gravitinos? ¿Alguien se atreve con las partículas de alto espín 5/2, 3, 7/2,… que aparecen en la teoría de Vasiliev? ;) Dan representaciones divertidas usando las reglas arriba citadas.

        ¡Gran hallazgo/aporte pictórico y diagramático en esta ocasión el tuyo aquí Francis!

  3. Esto està muy bien, ya que gràficamente podemos tener idea de las propiedades intrìnseca de las partìculas del Modelo Estandar y sus correspondientes antipartìculas.

  4. Representaciones muy complejas para reproducirlas “a mano”. Yo espera algo más parecido a smiles
    :-) :o) }:-P

    • Sergio, están pensadas para ser usadas en vídeos, documentales, presentaciones con powerpoint, … no están pensadas para su uso en una pizarra o en una hoja de papel.

  5. Estos diseños gráficos representativos del modelo estándar contienen tanto arte y como fantasía, en detrimento de un mínimo de sensatez científica. Fijaros por ejemplo en la representación de los gluones. No comment! A parte de esto, a que no dudáis de que si existen los gluones, y otros elementos estrafalarios como los colores.

    En física el modelo estándar es como Bankia en financias. A este modelo se apuntan todos los especuladores científicos. Metafóricamente, las “cuentas”, o sea las interpretaciones científicas, son manipuladas ideológicamente y políticamente y solo salen a base de ajustes rocambolescos.

    Los que no estén irremediablemente adoctrinados al modelo estándar podréis refrescaros un tanto la mente y descubrir que existen alternativas mas sencillas al modelo estándar, conjetura que ha logrado tanto poder como poco tino. Es que las especulaciones exuberantes atraen a muchos. Que le haremos, habrá que esperar que, como en el caso de la banca, brote el desengaño a tanta especulación y manipulación interesada.

    Animación: http://www.youtube.com/user/gsardin

    Predicciones del Modelo Orbital referente al LHC:
    http://personales.ya.com/sardin/lhc-e.pps

    Modelo orbital de las partículas elementales:
    http://arxiv.org/ftp/hep-ph/papers/0102/0102268.pdf

  6. ¿Hay alguna razón por la que al neutrino electrónico se lo relacione con el quark up y al electrón con el down? ¿O es que simplemente la convención para diferenciar up y down es la misma que para diferenciar neutrinos y leptones?
    Y los posibles neutrinos estériles (aunque no se si esta idea sigue en pie…), se representarían los dos igual, ¿no?

    • Juanky, la teoría electrodébil es quiral, es decir, distingue entre izquierda y derecha, lo que significa que trata de forma diferente las partículas de helicidad izquierda de las de derecha. En concreto, para la teoría electrodébil las partículas de helicidad izquierda (L) forman estados de tipo doblete y las de helicidad derecha (R) forman estados singlete. La siguiente figura te lo aclara.

      En la primera generación, el doblete de quarks L está formado por una partícula de carga negativa (quark down) y otra positiva (quark up); el doblete de leptones L está formado por una partícula de carga negativa (electrón) y otra neutra (neutrino electrónico); normalmente se relacionan las partículas de carga negativa entre sí, electrón y quark down, con lo que en pie de igualdad es natural relacionar el neutrino electrónico con el quark up, aunque en este caso se trate de una partícula neutra y una de carga positiva. Por supuesto, en el modelo estándar esto es un mero convenio, pues no hay relación entre leptones y quarks; sin embargo, en supersimetría esta relación se convierte en algo más profundo.

      En cuanto a los neutrinos estériles, aún no se ha observado ninguno y hay varias teorías posibles, lo habitual es considerarlos estados singlete respecto a la teoría electrodébil (tando si son de Dirac, dos singletes, como de Majorana, un solo singlete); es decir, los neutrinos estériles, por serlo, están como aparte y no se pueden “relacionar” con los quarks.

      La idea de los neutrinos estériles sigue en pie. La idea de que hay un solo tipo de neutrino estéril hace difícil explicar algunos datos experimentales, pero si hay dos neutrinos estériles todos los problemas desaparecen, así que mucha gente apunta a que hay cinco sabores de neutrinos, dos de ellos estériles. Por supuesto, todavía no se ha observado ninguno y así que estas ideas teóricas pertenecen al reino de las ideas de Platón.

      Espero haber aclarado tu duda.

      • Vaaya… ¡Muchas gracias por la respuesta! Esperaba un “si, no, si…”
        Conocía la diferencía entre derecha e izquierda en la teoría electrodébil, pero todavía no he llegado a la supersimetría, así que no sabía que ahí había una relación entre leptones y quarks. A ver si le echo un vistazo después de los exámenes. Y si no es mucho pedir… ¿Algún libro recomendado para echarle un vistazo?

        ¡Muchas gracias!

  7. ¿No deberíamos asociar la energía con el tamaño?
    ¿y en la imagen primera el espin no debería mantener todos la referencia vertical?
    y la propiedad de confinamiento de los quark(el hecho de no encontrarlos aislados) como se representaría?

    • Hector04, ciertamente la función de onda de una partícula tiene un tamaño característico asociado a su longitud de onda de De Broglie (h/p, donde h es la constante de Planck y p es el momento lineal, que está relacionado con la energía). Una partícula a mayor energía tiene mayor momento y por tanto una longitud de onda más pequeña. En la representación gráfica se han dibujado las partículas “en reposo” (salvo en el caso del fotón) y si se consideran en movimiento tienen que tener un tamaño que decrezca con su energía.

      En cuanto a la primera figura, el remolino representa la helicidad y debe mantener su eje con respecto al momento (velocidad) de la partícula; no sabemos qué velocidad instantánea tienen cada uno de los quarks de un protón, para casi seguro que serán direcciones diferentes, unos apuntando hacia un lado y otros hacia otros lados; por ello los remolinos no mantienen su dirección vertical.

      Esta figura de Rolf Landua forma parte de una animación del protón en la que los tres quarks están constantemente moviéndose y cambiando la dirección de su remolino en consonancia con su movimiento.

  8. Estos diseños gráficos representativos del modelo estándar contienen tanto arte y como fantasía, en detrimento de un mínimo de sensatez científica. Fijaros por ejemplo en la representación de los gluones. No comment! A parte de esto, a que no dudáis de que si existen los gluones, y otros elementos estrafalarios como los colores.

    En física el modelo estándar es como Bankia en financias. A este modelo se apuntan todos los especuladores científicos. Metafóricamente, las “cuentas”, o sea las interpretaciones científicas, son manipuladas ideológicamente y políticamente y solo salen a base de ajustes rocambolescos.

    Los que no estéis irremediablemente adoctrinados al modelo estándar podréis refrescaros un tanto la mente y descubrir que existen alternativas mas sencillas al modelo estándar, conjetura que ha logrado tanto poder como poco tino. Es que las especulaciones exuberantes atraen a muchos. Que le haremos, habrá que esperar que, como en el caso de la banca, brote el desengaño a tanta especulación y manipulación interesada.

    Animación: http://www.youtube.com/user/gsardin

    Predicciones del Modelo Orbital referente al LHC:
    http://personales.ya.com/sardin/lhc-e.pps

    Modelo orbital de las partículas elementales:
    http://arxiv.org/ftp/hep-ph/papers/0102/0102268.pdf

  9. G. Sardin: son meras representaciones gráficas para emplear en presentaciones o animaciones multimedia, más que nada para divulgación, no para enseñar física pura y dura. No olvidar que la imagen representativa del átomo (una partícula central con varias más pequeñas en órbita ovalada alrededor) dista muchísimo de la realidad, pero se utiliza en todos los ámbitos relacionados a la física (desde universidades hasta centrales nucleares). Si nos ponemos a hilar fino, la verdadera imagen de un átomo debería tener kilómetros de diámetro (si es que queremos apreciar los nucleones y la última órbita) y jamás veríamos los electrones, ya que serían una nube (o capas de ellas) que rodea el núcleo.
    Saludos!

    • A esto me refería antes con este tipo de representaciones. Están bien para visualizar las cosas, pero no representan un modelo matemático preciso a priori consistente con la formulación del Modelo Estándar. Es un simple utensilio visual, que puede ser útil. Aunque no me gusta nada el uso de vórtices.

      Modelos más especulativos, no el modelo estándar, asocian estructuras topológicas a las partículas (como nudos, o trenzas -braids). El punto es que al igual que el color es un número cuántico que no tiene nada que ver con el color ordinario (algo que suele confundir a la gente que no ha estudiado física de partículas o que sabe poco o nada de física), este tipo de representaciones son un arma de doble filo. Ayudan a visualizar partículas “puntuales” (si es que ese concepto aún es útil) con estructura y números cuánticos, pero inducen a error al ofrecer una imagen que no corresponde a la realidad física de la partícula. Los vórtices también son peligrosos en esta representación…

      En lo que se refiere a la divulgación y enseñanza de la Ciencia me estoy volviendo terriblemente precavido con el paso de los años. Precisamente porque yo mismo descubrí que muchos libros de divulgación e incluso algunos libros de texto universitarios no son “correctos” en la enseñanza de los conceptos y la descripción de los modelos físicos.

      Daría para mucho este debate, pero antes que explicar un concepto con una analogía imprecisa, o una imagen errónea, prefiero explicar las matemáticas e hipótesis que subyacen a un modelo X o teoría. Pero explicarlas lo mejor que sea posible. Por ejemplo, la popularización de Einstein y sus teorías hizo literalmente que mucha gente explicara “de forma imprecisa o incluso incorrecta” el significado de la relatividad, o teoría de los invariantes, como él hubiera preferido finalmente llamarla (aunque también hay debate sobre ello).

      Como profesor y divulgador que eres Francisco, supongo que te has enfrentado a más de alguna pregunta sobre alguna de esas “misconceptions” que ocurren por pensar que cierta idea que explicabas pero que se divulgaba era otra cosa que era más que una analogía o imagen. Por ejemplo, en una de las dos ocasiones que impartí Física de 2º de bachillerato, me costaba hacerles entender que un electrón puede difractarse, por ejemplo, en un cristal (al explicar la longitud de de Broglie) porque al imaginarlo como una “bola”, algún avezado me preguntó ¿cómo es que una bola como el electrón desaparece y reaparece tras una red?(Por ejemplo). Hay muchos otros ejemplos de lo peligroso que es usar usar analogías y representaciones(la famosa expansión del Big Bang como puntos en un globo que se hincha es otra). Incluso hoy día pensamos aún en el protón como una bola cuando tiene una estructura interna. En fin, que es complicado, pero para explicar cosas a la gente sí, pero cuidando de enfatizar que es una representación que NO corresponde a la realidad. Incluso pensar en partículas y ondas es algo que depende de la situación física concreta. ¡La Naturaleza y sus “inventos”! :D

  10. Respuesta a Javier

    Aún que sean meras representaciones gráficas para emplear en presentaciones o animaciones multimedia, es mala escuela que sean tan fantasiosas y el publico acabara viendo la física teórica como una fantasmada. Ya se leen lo suficiente fantasmadas publicadas. Como ex profesor de física aplicada, ahora jubilado, no me gusta nada la orientación que esta tomando la física teórica. Si se sigue por este camino en lugar de formar físicos teórico con cierto sentido del realismo se formaran físicos fantasmas.

    Claro esta que no es fácil aprehender la realidad en sus formas más primordiales, ni tampoco representarla, pero hay grados de aproximación. En términos generales es el problema entre mapa y territorio. Pero por ejemplo, cuando en física atómica se representa las orbitales quánticas de las capas electrónicas, esto no deja de tener sentido y se aproxima a la realidad, aun que sea bajo una visión probabilística, que en ultima instancia podría ocultar un sentido mas profundo, aun desconocido como insinúan algunos.

    Pero al modelo estándar le han tenido que poner tanto esparadrapo para mantenerlo en vida, que genera aun más desconfianza que la banca. He seguido el desarrollo del modelo estándar desde el año 1987 y cuanto más lo sofisticaban mas fantasmagórico se volvía. Lo malo es que, como nueva física más allá de este modelo, se propongan teorías como la de las cuerdas o la M, que son aun más especulativas. Lo que vengo a decir es que fuera de un mínimo de sencillez y realismo vamos por mal camino y es una pésima escuela para la juventud. Cuando algo deja de ser creíble es su “acabose”.

  11. Se dice que una imagen vale más que mil palabras. Creo la analogía grafica es muy útil, sobre todo para la enseñanza, particularmente para los jóvenes que estudien física. Yo soy un simple aficionado empírico, pero con este paralelismo grafico me ha sido más fácil hacerme una idea de cómo se integran tantas propiedades en una determinada partícula, con el tiempo se podrán hacer las modificaciones necesarias, ya que es algo que no está escrito en piedra.

    • Algo tan excéntrico como la afirmación de Vlatko Vedral : “El universo no está hecho de materia o de energía, sino de información”.

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