Física de partícules

La física de partícules ye la caña de la física qu'estudia los componentes elementales de la materia y les interaiciones ente ellos.

Les partícules fundamentales subdividir en bosones (partícules d'espín enteru, como por casu 0, 1, 2...), que son les responsables de tresmitir les fuercies fundamentales de la naturaleza, y fermiones (partícules de espín semientero, como por casu 1/2 o 3/2).

Conocer a esta caña tamién como física d'altes enerxíes, por cuenta de que a munches d'estes partícules solo puédese-yos ver en grandes choques provocaos nos aceleradores de partícules.

 Historia 

El ser humanu, dende l'antigüedá, imaxinó que l'Universu nel qu'habita ta compuestu de dellos elementos; por casu, Empédocles nel sieglu V antes de nuesa era postuló que tolo esistente podría llograse del amiestu d'agua, tierra, fueu y aire. Podríamos mentar a Demócrito como'l primeru n'indicar la esistencia d'átomos, como una especie d'elementos indivisibles.

Les meyores científiques de principios del sieglu XX per parte de Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros dieron llugar a la nacencia de la mecánica cuántica. El efeutu fotoeléctricu amosaba la naturaleza cuántica de la lluz pa esplicar la so interaición cola materia, denominándose fotón al «cuanto» de lluz. Anguaño conócense otros trés partícules qu'interactúan cola materia, llamaes bosones. Pa esplicar la estructura de la materia apaecieron distintos modelos atómicos, siendo, hacia 1930, los electrones, protones y neutrones los constituyentes básicos de la materia. Escontra 1960, gracies a Murray Gell-Mann, predícense constituyentes más elementales pa los protones y neutrones, los quarks, polo que los elementos básicos constituyentes de la materia convertir en quarks, electrones y neutrinos.

 Partícules elementales 

Los físicos de partícules esforciáronse dende un principiu por clasificar les partícules conocíes y por describir tola materia y les sos interaiciones. A lo llargo de la historia de la física esistieron munches partícules que nel so momentu definiéronse como indivisibles, tales como los protones y neutrones, que más palantre se demostró que si lo son. Dempués de distintes teoríes atómiques y nucleares, na actualidá usa'l llamáu modelu estándar pa describir la materia que constitúi l'universu y les sos interaiciones.

Acordies con el modelu estándar, esisten seis tipos de quarks, seis tipos de leptones y cuatro tipos de bosones. Estes partícules tán estremaes en dos grandes categoríes pol principiu d'esclusión de Pauli: les que nun tán suxetes a esti principiu son los bosones y a les que si lo tán se les llapada fermiones.

 Bosones 


Los bosones son partícules que nun cumplen el principiu d'esclusión de Pauli, polo que dos partícules pueden ocupar el mesmu estáu cuánticu. A temperatures bien baxes tienden a ocupar el nivel enerxéticu más baxu, ocupando toles partícules el mesmu estáu cuánticu. En 1924, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein postularon un modelu d'estadística, conocida agora como estadística de Bose-Einstein, pa molécules a temperatures bien cercanes al cero absolutu; esta mesma estadística resulta que puede aplicase tamién a esti tipu de partícules.

Según el modelu estándar, los bosones son cuatro:
 PartículaSímboluMasa (en GeV/c2) Carga llétrica Espín Interaición Fotón  0 0 1 electromagnética Bosón W W± 80,4 ± 1 1 débil Bosón Z Z⁰ 91,187 0 1 débil Gluón g 0 0 1 fuerte

Les teoríes matemátiques qu'estudien los fenómenos d'estes partícules son, nel casu de la cromodinámica cuántica la interaición fuerte de los gluones y nel casu de la electrodinámica cuántica ye la interaición electrodébil de fotones y bosones W y Z.

 Fermiones 

Los fermiones son partícules con espín, o momentu angular intrínsecu, fraccionariu y que sí tán suxetos de primeres d'esclusión de Pauli. Esto ye que dos partícules nun pueden tar nun mesmu estáu cuánticu nel mesmu momentu. La so distribución ta rexida pola estadística de Fermi-Dirac; d'ende'l so nome.

Los fermiones son básicamente partícules de materia, pero a diferencia de los bosones, non tolos fermiones son partícules elementales. El casu más claru ye'l de los protones y neutrones; estes partícules son fermiones pero tán compuestos de quarks, que, nel nuesu nivel actual de conocencies, sí se consideren como elementales.

Los fermiones estremar en dos grupos: los quarks y los leptones. Esta diferencia aplícase por cuenta de que los leptones pueden esistir aisllaos, a diferencia de los quarks que s'atopen siempres en presencia d'otros quarks. Los grupos de quarks nun pueden tener carga de color por cuenta de que los gluones que los xunen tienen carga de color. Les propiedaes básiques d'estes partícules atopar equí:

 Tipu de fermión NomeSímboluCargaelectromagnética Carga débil* Carga decolor Masa LeptónElectrón  y-  -1  -1/2  0 0,511 MeV/c² Muon - -1  -1/2  0  105,6 MeV/c² Tauón - -1  -1/2  0  1,784 GeV/c² Neutrín electrónicu y 0  +1/2  0  < 50 eV/c² Neutrín muónico  0  +1/2  0  < 0,5 MeV/c² Neutrín tauónico  0  +1/2  0  < 70 MeV/c² Quark up  o  +2/3  +1/2  R/G/B  ~5 MeV/c² charm  c  +2/3  +1/2  R/G/B ~1.5 GeV/c² top  t  +2/3  +1/2  R/G/B  >30 GeV/c² down  d  -1/3  -1/2  R/G/B  ~10 MeV/c² strange  s  -1/3  -1/2  R/G/B ~100 MeV/c² bottom  b  -1/3  -1/2  R/G/B ~4,7 GeV/c²
 Les partícules de la tabla solo tienen carga débil cargada (W+ y W-) si son levógiras o, pa les antipartícules, si son dextrógiras.

Les partícules arrexuntar en xeneraciones. Esisten tres generación:
·la primera ta compuesta pol electrón, el so neutrín y los quarks up y down.
·La materia ordinario ta compuesta por partícules d'esta primer xeneración.
·Les partícules d'otres xeneraciones se desintegran en partícules de les xeneraciones inferiores.

 Partícules compuestes 

Los físicos de partícules denominen como hadrones a les partícules que se componen d'otres más elementales. Los hadrones tán compuestos de quarks, antiquarks y de gluones. La carga llétrica de los hadrones ye un númberu enteru, polo que la suma de la carga de los quarks que los componen ten de ser un enteru.

La interaición fuerte ye la que predomina nos hadrones, anque tamién se manifiesten la interaición electromagnética y la débil. Les partícules con carga de color interactúan por aciu gluones; los quarks y los gluones, al tener carga de color, tán confinamientu del color confinaos a permanecer xuníos nuna partícula con carga de color neutra. La formulación teórica d'estes partícules realizar simultánea y independientemente Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964, nel llamáu modelu de quarks. Esti modelu recibió numberoses confirmaciones esperimentales dende entós.

Los hadrones subdividir en dos clases de partícules, los bariones y los mesones.

 Bariones 

Los bariones son partícules que contienen trés quarks, dellos gluones y dellos antiquarks. Los bariones más conocíos son los nucleones; esto ye, los protones y neutrones, amás d'otres partícules más masives conocíes como hiperones. Dientro de los bariones esiste una intensa interaición ente los quarks al traviés de los gluones, que tresporta la interaición fuerte. Como los gluones tienen carga de color, nos bariones les partícules que la contienen camuden rápido de carga de color, pero'l conxuntu del barión permanez con carga de color neutra.

Los bariones son tamién fermiones, polo que'l valor del so espín ye 1/2, 3/2,... Como toles partícules, los bariones tienen la so partícula d'antimateria llamada antibarión, que se forma cola unión de trés antiquarks. Ensin cuntar colos nucleones, la mayoría de bariones son inestables.

 Mesones 

Los mesones son partícules formaes por un quark, un antiquark y la partícula que les xune, el gluon. Tolos mesones son inestables; magar ello pueden atopase aisllaos por cuenta de que les cargues de color del quark y del antiquark son opuestes, llogrando un mesón con carga de color neutra. Los mesones son amás bosones, una y bones la suma de los espines, de los sos quark-antiquark más la contribución del movimientu d'estes partícules ye un númberu enteru. Conozse tamién que'l mesón tien interaiciones fuertes, débiles y electromagnétiques.

Nesti grupu inclúyense'l pion, el kaón, la J/ψ, y munches otres. Pue que esistan tamién mesones exóticos, anque nun esiste evidencia esperimental d'ellos.

 Partícules hipotétiques 

Ente les principales partícules conxeturaes teóricamente y qu'entá nun fueron confirmaes por nengún esperimentu hasta'l 2008, atópense:
 El bosón de Higgs ye la única partícula del modelu estándar que la so esistencia entá nun se confirmó. Esperimentos nel Gran colisionador d'hadrones confirmaron l'afayu d'una partícula que podría ser el bosón de Higgs, anque se ta a la espera de mayores precisiones.http://cms.web.cern.ch/news/observation-new-particle-mass-125-gev Na formulación del modelu electrodébil, la partícula que podría esplicar la diferencia de mases de los bosones W y Z y el fotón; postúlase que pa poder romper bonalmente la simetría d'un campu de Yang-Mills precísase una partícula, agora conocida como bosón de Higgs. Esta partícula nun campu de Higgs daría les respuestes a esta interrogante.
 El gravitón ye l'hipotéticu bosón pa la interaición gravitatoria que foi propuestu nes teoríes de la gravedá cuántica. Nun suel formar parte del modelu estándar por cuenta de que nun s'atopó esperimentalmente. Se teoriza que interaccionaría con leptones y quarks y que nun tendría masa.

 Supersimetría 

La teoría de supersimetría plantega la esistencia de partícules supercompañeras de les actuales partícules esistentes. Asina, ente les más destacaes tenemos:
 El neutralino ye la meyor candidata, nel modelu estándar, pa partícula de materia escuro. Na teoría de supersimetría, el neutralino ye una partícula neutra, estable y super llixera, que nun tien una pareya simétrica nes partícules ordinaries.
 Los sleptones y los squarks son los compañeros supersimétricos de los fermiones del modelu estándar.
 El fotino, el wino, el zino, el gravitino y el gluino son les partícules supercompañeras de los bosones.

 Otres 

 Un WIMP (del inglés: partícula masiva que interactúa sele) son unes partícules hipotétiques propuestes pa esplicar la materia escuro (como'l neutralino o'l axión).
 El pomerón, usáu na teoría Regge pa esplicar el fenómenu de la dispersión elástica de los hadrones y la posición de los polos de Regge.
 El skirmión, un solitón topolóxicu pal campu del pion que s'usa pa modelar les propiedaes a baxa enerxía del nucleón.
 El bosón de Goldstone ye una escitación ensin masa d'un campu que la so simetría foi rota bonalmente. Los piones son cuasi bosones de Goldstone pola rotura de la simetría del isospín de la quiralidad na cromodinámica cuántica (nun lo ye porque tien masa).
 El goldstino (fermión) produzse entós pola rotura bonal de la supersimetría pol bosón de Goldstone.
 El instantón ye una configuración de campu que ye un mínimu local d'una aición euclídea. Usar en cálculos non perturbativos del efeutu túnel.

 Clasificación per velocidá 

Acordies cola so masa y rangu de velocidá algamable les partícules hipotétiques (y les reales) pueden clasificase en:
 Un tardión viaxa más lentu que la lluz y tien una masa en reposu non nula. Toles partícules con masa pertenecen a esta categoría.
 Un luxón viaxa esautamente a la velocidá de la lluz, y nun tien masa. Toles partícules bosónicas ensin masa pertenecen a esta categoría, usualmente acéptase que los neutrinos tamién pertenecen a esta categoría.
 Un taquión ye una partícula hipotética que viaxa más rápidu que la lluz, y que la so masa debe de ser imaxinaria. Nun se detectaron exemplos d'esti tipu de partícula.

 Cuasipartículas 

Les ecuaciones de campu de la física de la materia entestada son bien similares a les de la física de partícules. Por eso, muncha de la teoría de la física de partícules puede aplicase a la física de la materia entestada, asignando a cada campu o escitación de la mesma un modelu qu'inclúi "cuasipartículas". Inclúyense:

 Los fonones, maneres vibratories nuna estructura cristalina.
 Los excitones, que son la superposición d'un electrón y un buecu.
 Los plasmones, conxuntu d'escitaciones coherentes d'un plasma.
 Los polaritones son l'amiestu d'un fotón y otra de les cuasipartículas d'esta llista.
 Los polarones, que son cuasipartículas cargaes en movimientu que tán arrodiaes d'iones nun material.
 Los magnones son escitaciones coherentes de los espines de los electrones nun material.

 Principales centros d'investigación 

Los más importantes llaboratorios de física de partícules nel mundu son:

 CERN, alcontráu ente la frontera Franco-Suiza cerca de la ciudá suiza de Xinebra. El so principal proyeutu actual ye'l Large Hadron Collider o LHC, terminada la so construcción, foi puestu en funcionamientu. Ésti ye'l mayor acelerador de partícules del mundu. Nel CERN tamién podemos atopar al LEP, colisionador electrón positrón, y al Superproton sincrotrón.
thumb
 Fermilab, alcontráu cerca de Chicago n'Estaos Xuníos, cuenta col Tevatrón que puede topetar protones y antiprotones y ye'l segundu acelerador de partícules más enerxéticu del mundu dempués del LHC.

 Llaboratoriu Nacional Brookhaven, alcontráu en Long Island (Estaos Xuníos), cuenta con un acelerador relativista d'iones pesaos que puede topetar iones pesaos como'l oru y protones polarizaos. Foi'l primer acelerador d'iones pesaos y ye l'únicu que puede acelerar protones polarizaos.

 DESY, alcontráu en Hamburgu (Alemaña), cuenta col HERA que puede acelerar electrones, positrones y protones.

 KEK, alcontráu en Tsukuba (Xapón), ye la organización xaponesa d'investigación d'altes enerxíes. Equí produciéronse munchos esperimentos interesantes como'l esperimentu d'oscilación del neutrín y l'esperimentu pa midir la violación de simetría CP nel mesón B.

 SLAC, alcontráu en Palo Alto (Estaos Xuníos), cuenta col PEP-II que puede topetar electrones y positrones.

Éstos son los principales llaboratorios pero esisten munchos más.

 Ver tamién 

 Tabla de partícules
 Mecánica cuántica
 Teoría del tou
 Teoría de cuerdes
 Modelu estándar de física de partícules
 Física de Astropartículas

 Referencies y notes

 Bibliografía 

 Enllaces esternos 

 Proyeutu Consolider 2010 CPAN (Centru Nacional de Física de Partícules, Astropartículas y Nuclear)
 Enerxía nuclear: el poder del átomu
 L'aventura de les partícules 

 N'inglés 

 Particle Data Group
 CERN
 Fermilab
 Brookhaven National Laboratory
 DESY

 SLAC