Partículas fisicas

La física de partículas (también conocida como física de altas energías ) es una rama de la física que estudia la naturaleza de las partículas que constituyen la materia y la radiación . Aunque la palabra partícula puede referirse a varios tipos de objetos muy pequeños (por ejemplo , protones , partículas de gas o incluso polvo doméstico), la física de partículas suele investigar las partículas detectables irreductiblemente más pequeñas y las interacciones fundamentales necesarias para explicar su comportamiento.

Según la comprensión actual, estas partículas elementales son excitaciones de los campos cuánticos que también gobiernan sus interacciones. La teoría actualmente dominante que explica estas partículas y campos fundamentales, junto con su dinámica, se llama Modelo Estándar . Así, la física de partículas moderna generalmente investiga el Modelo Estándar y sus diversas extensiones posibles, por ejemplo, a la partícula "conocida" más nueva, el bosón de Higgs , o incluso al campo de fuerza más antiguo conocido, la gravedad . ^{[1] [2]}

Partículas subatómicas

El contenido de partículas del modelo estándar de física.

La investigación moderna en física de partículas se centra en partículas subatómicas , incluidos componentes atómicos como electrones , protones y neutrones (los protones y neutrones son partículas compuestas llamadas bariones , hechas de quarks ), producidas por procesos radiactivos y de dispersión , como fotones , neutrinos y muones , así como una amplia gama de partículas exóticas .

La dinámica de las partículas también se rige por la mecánica cuántica ; exhiben dualidad onda-partícula , mostrando un comportamiento similar a una partícula bajo ciertas condiciones experimentales y un comportamiento similar a una onda en otras. En términos más técnicos, se describen mediante vectores de estado cuántico en un espacio de Hilbert , que también se trata en la teoría cuántica de campos . Siguiendo la convención de los físicos de partículas, el término partículas elementales se aplica a aquellas partículas que, según la comprensión actual, se presume que son indivisibles y no están compuestas por otras partículas. ^[3]

Partículas elementales

	Tipos	Generaciones	Antipartícula	Colores	Total
Quarks	2	3	Par	3	36
Leptones			Par	Ninguno	12
Gluones	1	Ninguno	Propio	8	8
Fotón			Propio	Ninguno	1
Bosón Z			Propio		1
W Boson			Par		2
Higgs			Propio		1
Número total de partículas elementales (conocidas):					61

Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi en su totalidad mediante una teoría cuántica de campos llamada Modelo Estándar . ^[4] El Modelo Estándar, como está formulado actualmente, tiene 61 partículas elementales. ^[3] Esas partículas elementales pueden combinarse para formar partículas compuestas, lo que representa los cientos de otras especies de partículas que se han descubierto desde la década de 1960.

Se ha encontrado que el modelo estándar está de acuerdo con casi todas las pruebas experimentales realizadas hasta la fecha. Sin embargo, la mayoría de los físicos de partículas creen que es una descripción incompleta de la naturaleza y que una teoría más fundamental espera ser descubierta (Ver Teoría del Todo ). En los últimos años, las mediciones de la masa de neutrinos han proporcionado las primeras desviaciones experimentales del modelo estándar, ya que los neutrinos no tienen masa en el modelo estándar. ^[5]

Historia

La idea de que toda la materia está compuesta fundamentalmente por partículas elementales data de al menos el siglo VI a. C. ^[6] En el siglo XIX, John Dalton , a través de su trabajo sobre estequiometría , concluyó que cada elemento de la naturaleza estaba compuesto por un solo tipo de partícula. ^[7] La palabra átomo , después de la palabra griega atomos que significa "indivisible", desde entonces denota la partícula más pequeña de un elemento químico , pero los físicos pronto descubrieron que los átomos no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino que son conglomerados. de partículas aún más pequeñas, como el electrón . Las exploraciones de principios del siglo XX de la física nuclear y la física cuántica llevaron a pruebas de fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basadas en experimentos de Otto Hahn ), y fusión nuclear por Hans Bethe en ese mismo año; Ambos descubrimientos también llevaron al desarrollo de armas nucleares . A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, se encontró una asombrosa variedad de partículas en colisiones de partículas de haces de energía cada vez más alta. Se le conoció informalmente como el " zoológico de partículas ". Descubrimientos importantes, como la violación del CP por parte de Chien-Shiung Wu, trajeron nuevas preguntas sobre el desequilibrio materia-antimateria . ^[8] El término zoo de partículas se modificó ^{[ cita requerida ]} después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970, en el que la gran cantidad de partículas se explicaba como combinaciones de un número (relativamente) pequeño de partículas más fundamentales, lo que marcó el comienzo de la física de partículas moderna. ^{[ cita requerida ]}

Modelo estandar

El estado actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica por el Modelo Estándar , que ganó una amplia aceptación a mediados de la década de 1970 después de la confirmación experimental de la existencia de quarks . Describe las interacciones fundamentales fuertes , débiles y electromagnéticas , utilizando bosones gauge mediadores . Las especies de bosones gauge son ocho gluones ,W-, W+ y Zbosones y fotones . ^[4] El Modelo Estándar también contiene 24 fermiones fundamentales (12 partículas y sus antipartículas asociadas), que son los constituyentes de toda la materia . ^[9] Finalmente, el Modelo Estándar también predijo la existencia de un tipo de bosón conocido como bosón de Higgs . El 4 de julio de 2012, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunciaron que habían encontrado una nueva partícula que se comporta de manera similar a lo que se espera del bosón de Higgs. ^[10]

Laboratorios experimentales

Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, EE. UU.

Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:

• Laboratorio Nacional Brookhaven ( Long Island , Estados Unidos ). Su principal instalación es el colisionador de iones pesados ​​relativista (RHIC), que colisiona iones pesados como los iones de oro y los protones polarizados. Es el primer colisionador de iones pesados ​​del mundo y el único colisionador de protones polarizados del mundo. ^{[11] [12]}
• Instituto Budker de Física Nuclear ( Novosibirsk , Rusia ). Sus principales proyectos son ahora los colisionadores de electrones-positrones VEPP-2000 , ^[13] operados desde 2006, y VEPP-4, ^[14] inició experimentos en 1994. Las instalaciones anteriores incluyen el primer colisionador de electrones-haces de electrones-haces VEP-1, que realizó experimentos de 1964 a 1968; los colisionadores de electrones y positrones VEPP-2, operados desde 1965 hasta 1974; y su sucesor VEPP-2M, ^[15] realizó experimentos desde 1974 hasta 2000. ^[16]
• CERN (Organización Europea de Investigación Nuclear) ( frontera franco - suiza , cerca de Ginebra ). Su proyecto principal es ahora el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que tuvo su primera circulación de haz el 10 de septiembre de 2008, y ahora es el colisionador de protones más enérgico del mundo. También se convirtió en el colisionador más enérgico de iones pesados ​​después de que comenzó a chocar con iones de plomo. Las instalaciones anteriores incluyen el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), que se detuvo el 2 de noviembre de 2000 y luego se desmanteló para dar paso al LHC; y el Super Proton Synchrotron , que se está reutilizando como preacelerador para el LHC y para experimentos con objetivos fijos. ^[17]
• DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Hamburgo , Alemania ). Su principal instalación era el Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), que colisionaba electrones y positrones con protones. ^[18] El complejo de aceleradores se centra ahora en la producción de radiación de sincrotrón con PETRA III, FLASH y el XFEL europeo .
• Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ( Batavia , Estados Unidos ). Su principal instalación hasta 2011 fue el Tevatron , que colisionó protones y antiprotones y fue el colisionador de partículas de mayor energía en la tierra hasta que el Gran Colisionador de Hadrones lo superó el 29 de noviembre de 2009. ^[19]
• Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) ( Beijing , China ). El IHEP gestiona varias de las principales instalaciones de física de partículas de China, incluido el Colisionador de Electrones y Positrones II de Beijing (BEPC II), el Espectrómetro de Beijing (BES), la Instalación de Radiación de Sincrotrón de Beijing (BSRF), el Observatorio Internacional de Rayos Cósmicos en Yangbajing en el Tíbet , el experimento de neutrinos del reactor de Daya Bay , la fuente de neutrones por espalación de China , el telescopio de modulación de rayos X duros (HXMT) y el sistema subcrítico impulsado por acelerador (ADS), así como el observatorio subterráneo de neutrinos de Jiangmen (JUNO). ^[20]
• KEK ( Tsukuba , Japón ). Es el hogar de una serie de experimentos, como el experimento de K2K , un neutrino oscilación experimento y Belle II , un experimento midiendo la violación CP de mesones B . ^[21]
• SLAC National Accelerator Laboratory ( Menlo Park , Estados Unidos ). Su acelerador de partículas lineal de 2 millas de largo comenzó a operar en 1962 y fue la base de numerosos experimentos de colisión de electrones y positrones hasta 2008. Desde entonces, el acelerador lineal se está utilizando para el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac , así como para el acelerador avanzado. investigación de diseño. El personal de SLAC continúa participando en el desarrollo y la construcción de muchos detectores de partículas en todo el mundo. ^[22]

También existen muchos otros aceleradores de partículas .

Las técnicas requeridas para la física de partículas experimental moderna son bastante variadas y complejas, constituyendo una subespecialidad casi completamente distinta ^{[ cita requerida ]} del lado teórico del campo.

Teoría

La física teórica de partículas intenta desarrollar los modelos, el marco teórico y las herramientas matemáticas para comprender los experimentos actuales y hacer predicciones para experimentos futuros (ver también física teórica ). En la actualidad, se están realizando varios esfuerzos importantes interrelacionados en la física teórica de partículas.

Una rama importante intenta comprender mejor el modelo estándar y sus pruebas. Los teóricos hacen predicciones cuantitativas de observables en colisionadores y experimentos astronómicos , que junto con las mediciones experimentales se utilizan para extraer los parámetros del modelo estándar con menos incertidumbre. Este trabajo explora los límites del modelo estándar y, por lo tanto, amplía la comprensión científica de los componentes básicos de la naturaleza. Esos esfuerzos se ven desafiados por la dificultad de calcular cantidades de alta precisión en cromodinámica cuántica . Algunos teóricos que trabajan en esta área utilizan las herramientas de la teoría cuántica de campos perturbativos y la teoría de campos efectivos , refiriéndose a sí mismos como fenomenólogos . ^{[ cita requerida ]} Otros hacen uso de la teoría del campo de celosía y se llaman a sí mismos teóricos de la celosía .

Otro esfuerzo importante es la construcción de modelos, donde los constructores de modelos desarrollan ideas sobre lo que la física puede estar más allá del Modelo Estándar (a energías más altas o distancias más pequeñas). Este trabajo a menudo está motivado por el problema de la jerarquía y está limitado por los datos experimentales existentes. ^{[ cita requerida ]} Puede involucrar trabajo sobre supersimetría , alternativas al mecanismo de Higgs , dimensiones espaciales adicionales (como los modelos de Randall-Sundrum ), teoría de Preon , combinaciones de estas u otras ideas.

Un tercer gran esfuerzo en física teórica de partículas es la teoría de cuerdas . Los teóricos de cuerdas intentan construir una descripción unificada de la mecánica cuántica y la relatividad general construyendo una teoría basada en cuerdas pequeñas y branas en lugar de partículas. Si la teoría tiene éxito, puede considerarse una " teoría del todo " o "TOE".

También hay otras áreas de trabajo en física teórica de partículas que van desde la cosmología de partículas hasta la gravedad cuántica de bucles . ^{[ cita requerida ]}

Esta división de esfuerzos en física de partículas se refleja en los nombres de las categorías en el arXiv , un archivo de preimpresión : ^[23] hep-th (teoría), hep-ph (fenomenología), hep-ex (experimentos), hep-lat ( teoría del calibre de celosía ).

Aplicaciones prácticas

En principio, toda la física (y las aplicaciones prácticas desarrolladas a partir de ella) pueden derivarse del estudio de las partículas fundamentales. En la práctica, incluso si se considera que "física de partículas" significa sólo "destructores de átomos de alta energía", durante estas investigaciones pioneras se han desarrollado muchas tecnologías que luego encuentran un amplio uso en la sociedad. Los aceleradores de partículas se utilizan para producir isótopos médicos para la investigación y el tratamiento (por ejemplo, isótopos utilizados en la obtención de imágenes por PET ), o se utilizan directamente en la radioterapia de haz externo . El desarrollo de superconductores ha sido impulsado por su uso en física de partículas. La World Wide Web y la tecnología de pantalla táctil se desarrollaron inicialmente en el CERN . Se encuentran aplicaciones adicionales en medicina, seguridad nacional, industria, informática, ciencia y desarrollo de la fuerza laboral, lo que ilustra una lista larga y creciente de aplicaciones prácticas beneficiosas con contribuciones de la física de partículas. ^[24]

Futuro

El objetivo principal, que se persigue de varias formas distintas, es encontrar y comprender qué física puede encontrarse más allá del modelo estándar . Hay varias razones experimentales poderosas para esperar nueva física, incluida la materia oscura y la masa de neutrinos . También hay indicios teóricos de que esta nueva física debería encontrarse en escalas de energía accesibles.

Gran parte del esfuerzo para encontrar esta nueva física se centra en nuevos experimentos de colisionadores. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se completó en 2008 para ayudar a continuar la búsqueda del bosón de Higgs , partículas supersimétricas y otras nuevas físicas. Un objetivo intermedio es la construcción del Colisionador Lineal Internacional (ILC), que complementará el LHC al permitir mediciones más precisas de las propiedades de las partículas recién encontradas. En agosto de 2004, se tomó una decisión sobre la tecnología de la ILC, pero aún no se ha acordado el sitio.

Además, existen importantes experimentos sin colisionadores que también intentan encontrar y comprender la física más allá del modelo estándar . Un esfuerzo importante sin colisión es la determinación de las masas de neutrinos , ya que estas masas pueden surgir de la mezcla de neutrinos con partículas muy pesadas. Además, las observaciones cosmológicas proporcionan muchas limitaciones útiles sobre la materia oscura, aunque puede ser imposible determinar la naturaleza exacta de la materia oscura sin los colisionadores. Finalmente, los límites más bajos en la vida útil muy larga del protón imponen restricciones a las Grandes Teorías Unificadas a escalas de energía mucho más altas que las que los experimentos de colisionadores podrán sondear en el corto plazo.

En mayo de 2014, el Panel de Priorización del Proyecto de Física de Partículas publicó su informe sobre las prioridades de financiación de la física de partículas para los Estados Unidos durante la próxima década. Este informe enfatizó la participación continua de los Estados Unidos en el LHC y la ILC, y la expansión del Experimento Neutrino Subterráneo Profundo , entre otras recomendaciones.

Ver también

• Física atómica
• Astronomía
• Alta presión
• Congreso Internacional de Física de Altas Energías
• Introducción a la mecánica cuántica
• Lista de aceleradores en física de partículas
• Lista de partículas
• Monopolo magnético
• Micro agujero negro
• Teoría de los números
• Resonancia (física de partículas)
• Principio de autoconsistencia en física de altas energías
• Teoría termodinámica autoconsistente no extensa
• Modelo estándar (formulación matemática)
• Sistema de recuperación de información de física de Stanford
• Cronología de la física de partículas
• Física de unpartículas
• Tetraquark
• Conferencia internacional sobre colisiones fotónicas, electrónicas y atómicas

Referencias

1. "El bosón de Higgs" . CERN.
2. "El mecanismo BEH, interacciones con fuerzas de corto alcance y partículas escalares" (PDF) . 8 de octubre de 2013.
3. Braibant, S .; Giacomelli, G .; Spurio, M. (2009). Partículas e interacciones fundamentales: una introducción a la física de partículas . Springer . págs. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1.
4. "Investigación en física y astrofísica de partículas" . El Instituto Henryk Niewodniczanski de Física Nuclear. Archivado desde el original el 2 de octubre de 2013 . Consultado el 31 de mayo de 2012 .
5. "Neutrinos en el modelo estándar" . La colaboración T2K . Consultado el 15 de octubre de 2019 .
6. "Fundamentos de la física y la física nuclear" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2 de octubre de 2012 . Consultado el 21 de julio de 2012 .
7. "Explorador científico: cuasipartículas" . Sciexplorer.blogspot.com. 22 de mayo de 2012. Archivado desde el original el 19 de abril de 2013 . Consultado el 21 de julio de 2012 .
8. "Antimateria" . 1 de marzo de 2021.
9. Nakamura, K (1 de julio de 2010). "Revisión de la física de partículas" . Journal of Physics G: Física nuclear y de partículas . 37 (7A): 075021. Código Bibliográfico : 2010JPhG ... 37g5021N . doi : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021 . PMID  10020536 .
10. Mann, Adam (28 de marzo de 2013). "Partícula recién descubierta parece ser bosón de Higgs tan esperado" . Ciencia cableada . Consultado el 6 de febrero de 2014 .
11. Harrison, M .; Ludlam, T .; Ozaki, S. (marzo de 2003). "Resumen del proyecto RHIC" . Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 499 (2–3): 235–244. Código Bibliográfico : 2003NIMPA.499..235H . doi : 10.1016 / S0168-9002 (02) 01937-X .
12. Courant, Ernest D. (diciembre de 2003). "Aceleradores, colisionadores y serpientes" . Revisión anual de ciencia nuclear y de partículas . 53 (1): 1–37. Código Bibliográfico : 2003ARNPS..53 .... 1C . doi : 10.1146 / annurev.nucl.53.041002.110450 . ISSN  0163-8998 .
13. "índice" . Vepp2k.inp.nsk.su. Archivado desde el original el 29 de octubre de 2012 . Consultado el 21 de julio de 2012 .
14. "El complejo de aceleración-almacenamiento VEPP-4" . V4.inp.nsk.su. Archivado desde el original el 16 de julio de 2011 . Consultado el 21 de julio de 2012 .
15. "Complejo colisionador VEPP-2M" (en ruso). Inp.nsk.su . Consultado el 21 de julio de 2012 .
16. "El Instituto Budker de Física Nuclear" . Rusia inglesa. 21 de enero de 2012 . Consultado el 23 de junio de 2012 .
17. "Bienvenido a" . Info.cern.ch . Consultado el 23 de junio de 2012 .
18. "Centro de aceleración más grande de Alemania" . Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Consultado el 23 de junio de 2012 .
19. "Fermilab | Inicio" . Fnal.gov . Consultado el 23 de junio de 2012 .
20. "IHEP | Inicio" . ihep.ac.cn. Archivado desde el original el 1 de febrero de 2016 . Consultado el 29 de noviembre de 2015 .
21. "Kek | Organización de investigación del acelerador de alta energía" . Legacy.kek.jp. Archivado desde el original el 21 de junio de 2012 . Consultado el 23 de junio de 2012 .
22. "Página de inicio del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC" . Consultado el 19 de febrero de 2015 .
23. "Archivo e-Print de arXiv.org" .
24. "Fermilab | Ciencia en Fermilab | Beneficios para la sociedad" . Fnal.gov . Consultado el 23 de junio de 2012 .

Otras lecturas

Lectura introductoria

• Cerrar, Frank (2004). Física de partículas: una introducción muy breve . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-280434-1.
• Cerca, Frank ; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). La odisea de las partículas: un viaje al corazón de la materia . La odisea de las partículas: un viaje al corazón de la materia . Bibcode : 2002pojh.book ..... C . ISBN 9780198609438.
• Ford, Kenneth W. (2005). El mundo cuántico . Prensa de la Universidad de Harvard.
• Oerter, Robert (2006). La teoría de casi todo: el modelo estándar, el triunfo oculto de la física moderna . Penacho.
• Schumm, Bruce A. (2004). Cosas profundas: la asombrosa belleza de la física de partículas . Prensa de la Universidad Johns Hopkins. ISBN 978-0-8018-7971-5.
• Cerrar, Frank (2006). La nueva cebolla cósmica . Taylor y Francis. ISBN 978-1-58488-798-0.

Lectura avanzada

• Robinson, Matthew B .; Bland, Karen R .; Cleaver, Gerald. B.; Dittmann, Jay R. (2008). "Una simple introducción a la física de partículas". arXiv : 0810,3328 [ hep-ésimo ].
• Robinson, Matthew B .; Ali, Tibra; Cleaver, Gerald B. (2009). "Una simple introducción a la física de partículas, parte II". arXiv : 0908,1395 [ hep-ésimo ].
• Griffiths, David J. (1987). Introducción a las partículas elementales . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
• Kane, Gordon L. (1987). Física moderna de partículas elementales . Libros de Perseo. ISBN 978-0-201-11749-3.
• Perkins, Donald H. (1999). Introducción a la Física de Altas Energías . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-62196-0.
• Povh, Bogdan (1995). Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicos . Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2.
• Boyarkin, Oleg (2011). Juego de dos volúmenes de Física de partículas avanzada . Prensa CRC. ISBN 978-1-4398-0412-4.

enlaces externos

• Revista Symmetry
• Fermilab
• Física de partículas - importa - Instituto de Física
• Nobes, Matthew (2002) "Introducción al modelo estándar de física de partículas" en Kuro5hin : Parte 1 , Parte 2 , Parte 3a , Parte 3b.
• CERN - Organización Europea para la Investigación Nuclear
• The Particle Adventure : proyecto educativo patrocinado por el Particle Data Group del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL)