| Modelo estándar de física de partículas |
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En las ciencias físicas , las partículas subatómicas son más pequeñas que los átomos . [1] Pueden ser partículas compuestas , como el neutrón y el protón; o partículas elementales , que según el modelo estándar no están formadas por otras partículas. [2] La física de partículas y la física nuclear estudian estas partículas y cómo interactúan. [3] El concepto de partícula subatómica se refinó cuando los experimentos mostraron que la luz podía comportarse como una corriente de partículas (llamadas fotones ), además de exhibir propiedades ondulantes. Esto llevó al concepto dedualidad onda-partícula para reflejar que las partículas a escala cuántica se comportan como partículas y ondas (a veces se describen como ondas
para reflejar esto [ cita requerida ] ). Otro concepto, el principio de incertidumbre , establece que algunas de sus propiedades tomadas en conjunto, como su posición y momento simultáneos , no se pueden medir con exactitud. [4] Se ha demostrado que la dualidad onda-partícula se aplica no solo a los fotones sino también a las partículas más masivas. [5]
Las interacciones de partículas en el marco de la teoría cuántica de campos se entienden como la creación y aniquilación de cuantos de las correspondientes interacciones fundamentales . Esto combina la física de partículas con la teoría de campos .
Incluso entre los físicos de partículas , la definición exacta de una partícula tiene descripciones diversas. Estos intentos profesionales en la definición de una partícula incluyen:
- Una partícula es una función de onda colapsada.
- Una partícula es una excitación cuántica de un campo.
- Una partícula es una representación irreductible del grupo de Poincaré
- Una partícula puede ser una cuerda vibrante
- Una partícula es algo que medimos en un detector [6]
Clasificación
Por composición
Las partículas subatómicas son "elementales", es decir, no están hechas de muchas otras partículas, o "compuestas" y están hechas de más de una partícula elemental unidas entre sí.
Las partículas elementales del Modelo Estándar son: [7]
- Seis " sabores " de quarks : arriba , abajo , extraño , encantador , inferior y superior ;
- Seis tipos de leptones : electrón , neutrino electrónico , muón , neutrino muón , tau , neutrino tau ;
- Doce bosones de calibre (portadores de fuerza): el fotón del electromagnetismo , los tres bosones W y Z de la fuerza débil y los ocho gluones de la fuerza fuerte ;
- El bosón de Higgs .
Todos estos se han descubierto ahora mediante experimentos, siendo el último el quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012).
Varias extensiones del Modelo Estándar predicen la existencia de una partícula de gravitón elemental y muchas otras partículas elementales , pero ninguna se ha descubierto hasta 2021.
Hadrones
Casi todas las partículas compuestas contienen múltiples quarks (y / o antiquarks) unidos por gluones (con algunas excepciones sin quarks, como el positronio y el muonio ). Los que contienen pocos (≤ 5) [anti] quarks se denominan hadrones . Debido a una propiedad conocida como confinamiento de color , los quarks nunca se encuentran solos, sino que siempre ocurren en hadrones que contienen múltiples quarks. Los hadrones se dividen según el número de quarks (incluidos los antiquarks) en bariones que contienen un número impar de quarks (casi siempre 3), de los cuales el protón y el neutrón (los dos nucleones ) son, con mucho, los más conocidos; y los mesonesque contiene un número par de quarks (casi siempre 2, un quark y un antiquark), de los cuales los piones y kaones son los más conocidos.
Excepto el protón y el neutrón, todos los demás hadrones son inestables y se descomponen en otras partículas en microsegundos o menos. Un protón está formado por dos quarks up y un quark down , mientras que el neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Estos comúnmente se unen en un núcleo atómico, por ejemplo, un núcleo de helio-4 está compuesto por dos protones y dos neutrones. La mayoría de los hadrones no viven lo suficiente para unirse en compuestos similares a núcleos; los que lo hacen (distintos del protón y el neutrón) forman núcleos exóticos .
Por estadísticas
Cualquier partícula subatómica, como cualquier partícula en el espacio tridimensional que obedece las leyes de la mecánica cuántica , puede ser un bosón (con espín entero ) o un fermión (con espín medio entero impar).
En el modelo estándar, todos los fermiones elementales tienen espín 1/2 y se dividen en los quarks que llevan carga de color y, por lo tanto, sienten la interacción fuerte, y los leptones que no. Los bosones elementales comprenden los bosones gauge (fotón, W y Z, gluones) con espín 1, mientras que el bosón de Higgs es la única partícula elemental con espín cero.
Teóricamente se requiere que el gravitón hipotético tenga espín 2, pero no es parte del Modelo Estándar. Algunas extensiones, como la supersimetría, predicen partículas elementales adicionales con spin 3/2, pero no se ha descubierto ninguna a partir de 2021.
Debido a las leyes del giro de las partículas compuestas, los bariones (3 quarks) tienen un giro 1/2 o 3/2 y, por lo tanto, son fermiones; los mesones (2 quarks) tienen un espín entero de 0 o 1 y, por lo tanto, son bosones.
Por misa
En relatividad especial , la energía de una partícula en reposo es igual a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado , E = mc 2 . Es decir, la masa se puede expresar en términos de energía y viceversa. Si una partícula tiene un marco de referencia en el que se encuentra en reposo , entonces tiene una masa en reposo positiva y se denomina masiva .
Todas las partículas compuestas son masivas. Los bariones (que significa "pesados") tienden a tener mayor masa que los mesones (que significa "intermedios"), que a su vez tienden a ser más pesados que los leptones (que significa "livianos"), pero el leptón más pesado (la partícula tau ) es más pesado que el dos sabores más ligeros de bariones ( nucleones ). También es cierto que cualquier partícula con carga eléctrica es masiva.
Cuando se definieron originalmente en la década de 1950, los términos bariones, mesones y leptones se referían a masas; sin embargo, después de que se aceptara el modelo de quarks en la década de 1970, se reconoció que los bariones son compuestos de tres quarks, los mesones son compuestos de un quark y un antiquark, mientras que los leptones son elementales y se definen como los fermiones elementales sin carga de color .
Todas las partículas sin masa (partículas cuya masa invariante es cero) son elementales. Estos incluyen el fotón y el gluón, aunque este último no se puede aislar.
Por decadencia
La mayoría de las partículas subatómicas no son estables. Todos los leptones, así como los bariones, se desintegran por la fuerza fuerte o la fuerza débil (excepto el protón). No se sabe que los protones se desintegran , aunque se desconoce si es "verdaderamente" estable, ya que algunas de las grandes teorías unificadas (GUT, por sus siglas en inglés) muy importantes realmente lo requieren. Los muones μ y τ, así como sus antipartículas, decaen por la fuerza débil. Los neutrinos (y antineutrinos) no se descomponen, pero se cree que existe un fenómeno relacionado de oscilaciones de neutrinos incluso en los vacíos. El electrón y su antipartícula, el positrón , son teóricamente estables debido a la conservación de la carga a menos que una partícula más ligera tenga una magnitud de carga eléctrica ≤ e existe (lo cual es poco probable). Su carga aún no se muestra
Otras propiedades
Todas las partículas subatómicas observables tienen su carga eléctrica como un múltiplo entero de la carga elemental . Los quarks del modelo estándar tienen cargas eléctricas "no enteras", es decir, múltiplos de 1 ⁄ 3 e , pero los quarks (y otras combinaciones con carga eléctrica no entera) no se pueden aislar debido al confinamiento de color . Para bariones, mesones y sus antipartículas, las cargas de los quarks constituyentes suman un múltiplo entero de e .
A través del trabajo de Albert Einstein , Satyendra Nath Bose , Louis de Broglie y muchos otros, la teoría científica actual sostiene que todas las partículas también tienen una naturaleza ondulatoria. [8] Esto se ha verificado no solo para partículas elementales sino también para partículas compuestas como átomos e incluso moléculas. De hecho, según las formulaciones tradicionales de la mecánica cuántica no relativista, la dualidad onda-partícula se aplica a todos los objetos, incluso a los macroscópicos; aunque las propiedades de onda de los objetos macroscópicos no pueden detectarse debido a sus pequeñas longitudes de onda. [9]
Las interacciones entre partículas se han examinado durante muchos siglos, y algunas leyes simples sustentan cómo se comportan las partículas en colisiones e interacciones. Las más fundamentales de ellas son las leyes de conservación de la energía y la conservación del momento , que nos permiten hacer cálculos de las interacciones de las partículas en escalas de magnitud que van desde las estrellas hasta los quarks . [10] Estos son los requisitos previos básicos de la mecánica newtoniana , una serie de afirmaciones y ecuaciones en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , publicado originalmente en 1687.
Dividiendo un átomo
El electrón cargado negativamente tiene una masa igual a 1 ⁄ 1837 o 1836 de la de un átomo de hidrógeno . El resto de la masa del átomo de hidrógeno proviene del protón cargado positivamente . El número atómico de un elemento es el número de protones en su núcleo. Los neutrones son partículas neutras que tienen una masa ligeramente mayor que la del protón. Diferentes isótopos del mismo elemento contienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. El número de masa de un isótopo es el número total de nucleones (neutrones y protones colectivamente).
La química se preocupa por cómo el intercambio de electrones une a los átomos en estructuras como cristales y moléculas . Las partículas subatómicas consideradas importantes en la comprensión de la química son el electrón , el protón y el neutrón . La física nuclear se ocupa de cómo los protones y neutrones se organizan en núcleos. El estudio de partículas, átomos y moléculas subatómicas, y su estructura e interacciones, requiere de la mecánica cuántica . El análisis de procesos que cambian los números y tipos de partículas requiere la teoría cuántica de campos . El estudio de las partículas subatómicas per se se llama física de partículas.. El término física de altas energías es casi sinónimo de "física de partículas", ya que la creación de partículas requiere altas energías: ocurre solo como resultado de los rayos cósmicos o en aceleradores de partículas . La fenomenología de partículas sistematiza el conocimiento sobre partículas subatómicas obtenido de estos experimentos. [11]
Historia
El término " partícula subatómica " es en gran parte un retrónimo de la década de 1960, utilizado para distinguir un gran número de bariones y mesones (que comprenden hadrones ) de partículas que ahora se cree que son verdaderamente elementales . Antes, los hadrones solían clasificarse como "elementales" porque se desconocía su composición.
A continuación, se incluye una lista de descubrimientos importantes:
| Partícula | Composición | Teorizado | Descubierto | Comentarios |
|---|---|---|---|---|
| Electrón mi- | elemental ( lepton ) | G. Johnstone Stoney (1874) | JJ Thomson (1897) | Unidad mínima de carga eléctrica, para la que Stoney sugirió el nombre en 1891. [12] |
| partícula alfa α | compuesto (núcleo atómico) | Nunca | Ernest Rutherford (1899) | Rutherford y Thomas Royds demostraron en 1907 que eran núcleos de helio. |
| Fotón γ | elemental ( cuántico ) | Max Planck (1900) Albert Einstein (1905) | Ernest Rutherford (1899) como rayos γ | Necesario para resolver el problema termodinámico de la radiación de cuerpo negro . |
| Protón pag | compuesto ( barión ) | Hace mucho tiempo | Ernest Rutherford (1919, llamado 1920) | El núcleo de 1H. |
| Neutrón norte | compuesto (barión) | Santiago Antúnez de Mayolo ( c. 1924) | James Chadwick (1932) | El segundo nucleón . |
| Antipartículas | Paul Dirac (1928) | Carl D. Anderson (mi+, 1932) | La explicación revisada utiliza la simetría CPT . | |
| Piones π | compuesto ( mesones ) | Hideki Yukawa (1935) | César Lattes , Giuseppe Occhialini , Cecil Powell (1947) | Explica la fuerza nuclear entre nucleones. El primer mesón (por definición moderna) descubierto. |
| Muón μ- | elemental (lepton) | Nunca | Carl D. Anderson (1936) | Llamado "mesón" al principio; pero hoy clasificado como lepton . |
| Kaons K | compuesto (mesones) | Nunca | GD Rochester , CC Butler (1947) | Descubierto en rayos cósmicos . La primera partícula extraña . |
| Bariones lambda Λ | compuesto (bariones) | Nunca | Universidad de Melbourne ( Λ0 , 1950) [13] | El primer hiperón descubierto. |
| Neutrino ν | elemental (lepton) | Wolfgang Pauli (1930), nombrado por Enrico Fermi | Clyde Cowan , Frederick Reines (νmi, 1956) | Resuelto el problema del espectro energético de la desintegración beta . |
| Quarks ( tu , D , s ) | elemental | Murray Gell-Mann , George Zweig (1964) | Ningún evento de confirmación particular para el modelo de quark . | |
| encanto de quark C | elemental (quark) | Sheldon Glashow , John Iliopoulos , Luciano Maiani (1970) | B. Richter y col ., SCC Ting y col . (J / ψ, 1974) | |
| quark de fondo B | elemental (quark) | Makoto Kobayashi , Toshihide Maskawa (1973) | Leon M. Lederman y col . (ϒ, 1977) | |
| Gluones | elemental (cuántico) | Harald Fritzsch , Murray Gell-Mann (1972) [14] | DESY (1979) | |
| Bosones de calibre débil W± , Z0 | elemental (cuántico) | Glashow , Weinberg , Salam (1968) | CERN (1983) | Propiedades verificadas durante la década de 1990. |
| quark superior t | elemental (quark) | Makoto Kobayashi , Toshihide Maskawa (1973) | Fermilab (1995) | No hadroniza , pero es necesario para completar el Modelo Estándar. |
| bosón de Higgs | elemental (cuántico) | Peter Higgs y col . (1964) | CERN (2012) | Se cree que se confirmará en 2013. Se encontraron más pruebas en 2014. [15] |
| Tetraquark | compuesto | ? | Z c (3900) , 2013, aún por confirmar como tetraquark | Una nueva clase de hadrones. |
| Pentaquark | compuesto | ? | Otra clase más de hadrones. A partir de 2019 [update]se cree que existen varios. | |
| Graviton | elemental (cuántico) | Albert Einstein (1916) | La interpretación de una onda gravitacional como partículas es controvertida. | |
| Monopolo magnético | elemental (sin clasificar) | Paul Dirac (1931) | desconocido | |
Ver también
- Atom: Journey Across the Subatomic Cosmos (libro)
- Atom: An Odyssey from the Big Bang to Life on Earth ... and Beyond (libro)
- Invariancia CPT
- Materia oscura
- Efecto de punto caliente en física subatómica
- Lista de elementos ficticios, materiales, isótopos y partículas atómicas
- Lista de partículas
- Simetría de Poincaré
- Ylem
Referencias
- ^ "Partículas subatómicas" . NTD . Consultado el 5 de junio de 2012 .
- ^ Bolonkin, Alexander (2011). Universo, inmortalidad humana y evaluación humana futura . Elsevier . pag. 25. ISBN 9780124158016.
- ^ Fritzsch, Harald (2005). Partículas elementales . World Scientific . pp. 11 -20. ISBN 978-981-256-141-1.
- ^ Heisenberg, W. (1927), "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik (en alemán), 43 (3-4): 172-198, Bibcode : 1927ZPhy ... 43..172H , doi : 10.1007 / BF01397280 , S2CID 122763326 .
- ^ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton (2000). "Dualidad onda-partícula de moléculas C60". Naturaleza . 401 (6754): 680–682. Código Bibliográfico : 1999Natur.401..680A . doi : 10.1038 / 44348 . PMID 18494170 . S2CID 4424892 .
- ^ https://www.quantamagazine.org/what-is-a-particle-20201112/
- ^ Cottingham, WN; Greenwood, DA (2007). Una introducción al modelo estándar de física de partículas . Prensa de la Universidad de Cambridge . pag. 1. ISBN 978-0-521-85249-4.
- ^ Walter Greiner (2001). Mecánica cuántica: una introducción . Springer . pag. 29. ISBN 978-3-540-67458-0.
- ^ Eisberg, R. y Resnick, R. (1985). Física cuántica de átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas (2ª ed.). John Wiley e hijos . págs. 59–60 . ISBN 978-0-471-87373-0.
Tanto para longitudes de onda grandes como pequeñas, tanto la materia como la radiación tienen aspectos tanto de partículas como de ondas. [...] Pero los aspectos ondulatorios de su movimiento se vuelven más difíciles de observar a medida que sus longitudes de onda se acortan. [...] Para las partículas macroscópicas ordinarias, la masa es tan grande que el momento es siempre lo suficientemente grande como para hacer que la longitud de onda de De Broglie sea lo suficientemente pequeña como para estar más allá del rango de detección experimental, y la mecánica clásica reina suprema.
- ^ Isaac Newton (1687). Leyes del movimiento de Newton ( Philosophiae Naturalis Principia Mathematica )
- ^ Taiebyzadeh, Payam (2017). Teoria de las cuerdas; Una teoría unificada y dimensión interna de partículas elementales (BazDahm). Riverside, Irán: Centro de publicaciones de Shamloo. ISBN 978-600-116-684-6 .
- ^ Klemperer, Otto (1959). "Física de electrones: la física del electrón libre". La física hoy . 13 (6): 64–66. Código Bibliográfico : 1960PhT .... 13R..64K . doi : 10.1063 / 1.3057011 .
- ^ Algunas fuentes como "The Strange Quark" . indicar 1947.
- ^ Fritzsch, Harald; Gell-Mann, Murray (1972). "Álgebra actual: Quarks y qué más?". EConf . C720906V2: 135–165. arXiv : hep-ph / 0208010 .
- ^ "Los experimentos del CERN informan nuevas mediciones del bosón de Higgs" . cern.ch . 23 de junio de 2014.
Lectura adicional
- Lectores generales
- Feynman, RP y Weinberg, S. (1987). Partículas elementales y las leyes de la física: las conferencias conmemorativas de Dirac de 1986 . Cambridge Univ. Prensa.
- Brian Greene (1999). El Universo Elegante . WW Norton & Company . ISBN 978-0-393-05858-1.
- 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 0-8018-7971-X .
- Martinus Veltman (2003). Hechos y misterios en física de partículas elementales . World Scientific . ISBN 978-981-238-149-1.
- Libros de texto
- Coughlan, GD, JE Dodd y BM Gripaios (2006). Las ideas de la física de partículas: una introducción para científicos , 3ª ed. Cambridge Univ. Prensa. Un texto de pregrado para aquellos que no se especializan en física.
- Griffiths, David J. (1987). Introducción a las partículas elementales . John Wiley e hijos . ISBN 978-0-471-60386-3.
- Kane, Gordon L. (1987). Física moderna de partículas elementales . Libros de Perseo . ISBN 978-0-201-11749-3.
Enlaces externos
 |
- Particleadventure.org: El modelo estándar.
- cpepweb.org: gráfico de partículas.
- Universidad de California: Grupo de datos de partículas.
- Enciclopedia de física anotada: teoría cuántica de campos.
- José Gálvez: Capítulo 1 Electrodinámica (pdf).
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