Bienvenidos a esta nueva sesión del curso de energías sustentables. Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC. En esta ocasión, presentaremos las interacciones fundamentales del modelo estándar del átomo. Y mediante eso, veremos su importancia en la producción, transmisión y conversión de energía. En la sesión anterior faltaron los bosones, agentes portadores de fuerza responsables de la unión, seperación, decaimiento y destrucción de la materia. El modelo estándar del átomo, aparte de distinguir fermiones y bosones, identifica interacciones fundamentales que utiliza algún bosón para interactuar. Ya conocemos en qué se usa la energía. Falta conocer, usando la teoría vigente, cómo se transmite la energía. El modelo estándar del átomo entrega una explicación más fundamental que la termodinámica. Los bosones son especialmente útiles para comprender cómo se transporta la energía. El modelo estándar dice que la materia existe por interacción entre fermiones o partículas fundamentales, como si fueran los bloques de un juego armable. Esos bloques pueden interactuar, pueden unirse, repelerse, decaer o aniquilarse, según el bosón predominante. Todas las fuerzas en el universo pueden explicarse por una o más de las siguientes interacciones fundamentales, gravitacional, fuerte, débil y electromagnética. Veamos algunos atributos de las interacciones fundamentales. La primera, conocida como interacción gravitacional, sabemos que existe pero está poco explicada y parcialmente probada. Por eso, no es parte del modelo estándar. Es de largo alcance, pero es muy débil respecto a las demás fuerzas, lo que impide caracterizarla. Su portador de fuerza no se ha encontrado por ser muy débil, pero ya se le asigna un nombre, que es gravitón. Después viene la interacción nuclear fuerte, que es de muy fuerte atracción de corto alcance, distinta a la electromagnética entre quarks, y aglutina drones y núcleos. El portador de fuerza es el gluón. Después viene la interacción nuclear débil, que es comparable a la electromagnética en intensidad pero opera a corta distancia. Responde por el decaimiento de ciertos isótopos, parte se va energía cinética. El portador de fuerza es el bosón W o Z0. La última es la interacción electromagnética. Produce una repulsión o atracción entre partículas fundamentales según sus cargas, y esta opera a gran distancia. Es fuerte, pero apenas una fracción de la inteacción nuclear. El portador de fuerza es el fotón o gama. Permite, por ejemplo, repeler núcleos o aclopar electrones a un núcleo. Este cuadro organiza los fermiones a un lado y los bosones a otro lado. Los últimos son los portadores de fuerza que permiten las interacciones de fermiones. Estos son los que definen cómo se organiza la materia. Hace pocos años, se confirmó experimentalmente un nuevo bosón, que se supone es el bosón de Higgs, que es el que determina la masa de los distintos fermiones. El modelo estándar está en evolución, aún está incompleto. No explica, por ejemplo, que debiera haber más materia para impedir que se desarmen las galaxias, lo que se ha llamado materia oscura. Hoy vamos a arreglar la materia. La unión de los átomos y moléculas es una interacción electromagnética fuerte entre protones y electrones. Por eso, una ruptura atómica, por ejemplo la combustión, pierde el enlace y libera solo dos a seis electrón Volts por evento de ruptura en forma de energía cinética de los productos de la combustión, que calientan el medio. Y nuevamente pueden mover, por ejemplo, un piptón. En cambio, la unión de nucleones es una interacción residual fuerte entre quarks de diferentes hadrones. Por esto, la ruptura de un enlace nuclear en la fisión en la Tierra o en la fusión en el Sol libera varios millones de electrón Volts por evento. En las partículas resultantes, ya separadas, son repelidas, llevando cada una millones de veces más energía cinética que un producto de combustión. Los productos de una reacción nuclear calientan eficazmente el medio y pueden mantener una estrella funcionando durante millones de años. En la Tierra, la fisión, y a futuro la fusión, puede mantener un reactor virando varios años. La unión del nucleón, por ejemplo dentro de un protón, se debe a la interacción fundamental fuerte entre sus tres quarks. Los quarks no pueden andar solos y no se pueden separar, pero un quark puede mutar con la participación de un bosón W. Por ejemplo, un neutrón se puede convertir en protón y viceversa, cambiando la composición química de un material. Este fenómeno justifica la emisión de calor en el manto terrestre por el decaimiento radioactivo de ciertos elementos, y explica la presencia de radioactividad natural en la superficie de la Tierra. Un ejemplo de transformación ocurre en la producción de energía en el Sol. El sol convierte cuatro protones en helio, después veremos el proceso. En dos protones, un quark up ha debido convertirse en un down con un bosón W, emitiendo un positrón y un neutrino. Un ejemplo práctico de interacción común se aprecia en un escáner PET, que es Tomografía de Emisión de Positrones, que permite ver el progreso de tumores en respuesta a un tratamiento. Para ello, un acelerador produce flúor excedido en neutrones, Flúor 18, que es propenso a emitir positrones. Se inyecta glucosa al paciente, y esta se concentra en el órgano con el tumor. En ese lugar, los positrones se aniquilan con electrones. Cada aniquilación emite dos rayos gama en direcciones opuestas. Una cámara detecta la posición donde ocurre la emisión, y con ello se puede construir una imagen de la actividad cancerígena. Podemos resumir que las interacciones fundamentales permiten: unir, separar, decaer o aniquilar materia con la influencia de bosones. Si en la interacción hay una pérdida de masa, las partículas resultantes adquirirán energía cinética. Si la reacción es electrónica, como una reacción química, obtendrá algunos electrón Volts por evento. Y si es una reacción nuclear, logrará varios millones de electrón Volts por evento. Hasta la próxima sesión.
