La física de partículas o física de altas energías es el estudio de las partículas y fuerzas fundamentales que constituyen la materia y la radiación . El campo también estudia combinaciones de partículas elementales hasta la escala de protones y neutrones , mientras que el estudio de la combinación de protones y neutrones se llama física nuclear .
Las partículas fundamentales del universo se clasifican en el Modelo Estándar como fermiones (partículas de materia) y bosones (partículas portadoras de fuerza). Hay tres generaciones de fermiones, aunque la materia ordinaria sólo se produce a partir de la primera generación de fermiones. La primera generación consta de quarks arriba y abajo que forman protones y neutrones , y electrones y neutrinos electrónicos . Las tres interacciones fundamentales que se sabe que están mediadas por los bosones son el electromagnetismo , la interacción débil y la interacción fuerte .
Los quarks no pueden existir por sí solos sino que forman hadrones . Los hadrones que contienen un número impar de quarks se llaman bariones y los que contienen un número par se llaman mesones . Dos bariones, el protón y el neutrón , constituyen la mayor parte de la masa de la materia ordinaria. Los mesones son inestables y los más longevos duran sólo unas pocas centésimas de microsegundo . Ocurren después de colisiones entre partículas formadas por quarks, como los protones y neutrones que se mueven rápidamente en los rayos cósmicos . Los mesones también se producen en ciclotrones u otros aceleradores de partículas .
Las partículas tienen antipartículas correspondientes con la misma masa pero con cargas eléctricas opuestas . Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón . El electrón tiene carga eléctrica negativa, el positrón tiene carga positiva. En teoría, estas antipartículas pueden formar una forma correspondiente de materia llamada antimateria . Algunas partículas, como el fotón , son su propia antipartícula.
Estas partículas elementales son excitaciones de los campos cuánticos que también gobiernan sus interacciones. La teoría dominante que explica estas partículas y campos fundamentales, junto con su dinámica, se llama Modelo Estándar . La reconciliación de la gravedad con la teoría actual de la física de partículas no está resuelta; Muchas teorías han abordado este problema, como la gravedad cuántica de bucles , la teoría de cuerdas y la teoría de la supersimetría .
La física de partículas práctica es el estudio de estas partículas en procesos radiactivos y en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones . La física teórica de partículas es el estudio de estas partículas en el contexto de la cosmología y la teoría cuántica . Los dos están estrechamente relacionados: el bosón de Higgs fue postulado por físicos teóricos de partículas y su presencia confirmada por experimentos prácticos.
La idea de que toda la materia está compuesta fundamentalmente de partículas elementales data al menos del siglo VI a.C. [1] En el siglo XIX, John Dalton , a través de su trabajo sobre estequiometría , concluyó que cada elemento de la naturaleza estaba compuesto por un único y único tipo de partícula. [2] La palabra átomo , derivada de la palabra griega atomos que significa "indivisible", designa desde entonces la partícula más pequeña de un elemento químico , pero los físicos descubrieron más tarde que los átomos no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino conglomerados. de partículas aún más pequeñas, como el electrón . Las exploraciones de la física nuclear y la física cuántica de principios del siglo XX llevaron a pruebas de la fisión nuclear en 1939 por parte de Lise Meitner (basadas en experimentos de Otto Hahn ) y de la fusión nuclear por parte de Hans Bethe ese mismo año; Ambos descubrimientos también condujeron al desarrollo de armas nucleares .
A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, se encontró una desconcertante 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 CP de James Cronin y Val Fitch plantearon nuevas preguntas sobre el desequilibrio materia-antimateria . [3] Después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970, los físicos aclararon el origen del zoológico de partículas. La gran cantidad de partículas se explicó como combinaciones de una cantidad (relativamente) pequeña de partículas más fundamentales y se enmarcó en el contexto de las teorías cuánticas de campos . Esta reclasificación marcó el comienzo de la física de partículas moderna. [4] [5]
El estado actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica por el modelo estándar , que obtuvo amplia aceptación a mediados de los años 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de los quarks . Describe las interacciones fundamentales fuertes , débiles y electromagnéticas , utilizando bosones calibre mediadores . Las especies de bosones de calibre son ocho gluones ,
W.−
,
W.+
y
z
bosones y el fotón . [6] El modelo estándar también contiene 24 fermiones fundamentales (12 partículas y sus antipartículas asociadas), que son los constituyentes de toda la materia . [7] 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. [8]
El Modelo Estándar, tal como está formulado actualmente, tiene 61 partículas elementales. [9] 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 descubierto que el modelo estándar coincide con casi todas las pruebas experimentales realizadas hasta la fecha. Sin embargo, la mayoría de los físicos de partículas creen que se trata de 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. [10]
La investigación moderna en física de partículas se centra en las partículas subatómicas , incluidos los constituyentes atómicos, como electrones , protones y neutrones (los protones y neutrones son partículas compuestas llamadas bariones , hechas de quarks ), que se producen mediante procesos radiactivos y de dispersión ; tales partículas son fotones , neutrinos y muones , así como una amplia gama de partículas exóticas . [11] Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi en su totalidad mediante el modelo estándar. [6]
La dinámica de las partículas también se rige por la mecánica cuántica ; exhiben dualidad onda-partícula , mostrando un comportamiento similar a una partícula en ciertas condiciones experimentales y un comportamiento similar a una onda en otras. En términos más técnicos, se describen mediante vectores de estados cuánticos en un espacio de Hilbert , lo 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 el conocimiento actual, se supone que son indivisibles y no están compuestas de otras partículas. [9]
La materia ordinaria está formada por quarks ( arriba , abajo ) y leptones ( electrón , neutrino electrónico ) de primera generación . [12] En conjunto, los quarks y los leptones se denominan fermiones , porque tienen un espín cuántico de semienteros (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Esto hace que los fermiones obedezcan el principio de exclusión de Pauli , según el cual no pueden haber dos partículas que ocupen el mismo estado cuántico . [13] Los quarks tienen carga eléctrica elemental fraccionaria (-1/3 o 2/3) [14] y los leptones tienen carga eléctrica entera (0 o 1). [15] Los quarks también tienen carga de color , que se etiqueta arbitrariamente sin correlación con el color de la luz real como rojo, verde y azul. [16] Debido a que las interacciones entre los quarks almacenan energía que puede convertirse en otras partículas cuando los quarks están lo suficientemente separados, los quarks no se pueden observar de forma independiente. A esto se le llama confinamiento del color . [dieciséis]
Hay tres generaciones conocidas de quarks (arriba y abajo, extraño y encantador , superior e inferior ) y leptones (electrón y su neutrino, muón y su neutrino , tau y su neutrino ), con fuerte evidencia indirecta de que la cuarta generación de fermiones no no existe. [17]
Los bosones son los mediadores o portadores de interacciones fundamentales, como el electromagnetismo , la interacción débil y la interacción fuerte . [18] El electromagnetismo está mediado por el fotón , los cuantos de luz . [19] : 29–30 La interacción débil está mediada por los bosones W y Z. [20] La interacción fuerte está mediada por el gluón , que puede unir quarks para formar partículas compuestas. [21] Debido al confinamiento del color antes mencionado, los gluones nunca se observan de forma independiente. [22] El bosón de Higgs da masa a los bosones W y Z a través del mecanismo de Higgs [23] ; se espera que el gluón y el fotón no tengan masa . [22] Todos los bosones tienen un espín cuántico entero (0 y 1) y pueden tener el mismo estado cuántico . [18]
La mayoría de las partículas antes mencionadas tienen sus correspondientes antipartículas , que componen la antimateria . Las partículas normales tienen un número leptónico o bariónico positivo , y las antipartículas tienen estos números negativos. [24] La mayoría de las propiedades de las antipartículas y partículas correspondientes son las mismas, aunque algunas se invierten; La antipartícula del electrón, el positrón, tiene carga opuesta. Para diferenciar entre antipartículas y partículas se añade un signo más o negativo en superíndice . Por ejemplo, el electrón y el positrón se denotan
mi−
y
mi+
. [25] Cuando una partícula y una antipartícula interactúan entre sí, se aniquilan y se convierten en otras partículas. [26] Algunas partículas, como el fotón o el gluón, no tienen antipartículas. [ cita necesaria ]
Los quarks y gluones tienen además cargas de color, lo que influye en la interacción fuerte. Las cargas de color de los quarks se llaman rojo, verde y azul (aunque la partícula en sí no tiene color físico), y en los antiquarks se llaman antirojo, antiverde y antiazul. [16] El gluón puede tener ocho cargas de color , que son el resultado de las interacciones de los quarks para formar partículas compuestas (simetría calibre SU(3) ). [27]
Los neutrones y protones en los núcleos atómicos son bariones : el neutrón está compuesto por dos quarks abajo y un quark arriba, y el protón está compuesto por dos quarks arriba y un quark abajo. [28] Un barión se compone de tres quarks y un mesón se compone de dos quarks (uno normal y otro anti). Los bariones y los mesones se denominan colectivamente hadrones . Los quarks dentro de los hadrones se rigen por la interacción fuerte, por lo que están sujetos a la cromodinámica cuántica (cargas de color). Los quarks acotados deben tener su carga de color para ser neutros, o "blancos" por analogía con la mezcla de los colores primarios . [29] Los hadrones más exóticos pueden tener otros tipos, disposición o número de quarks ( tetraquark , pentaquark ). [30]
Un átomo normal está formado por protones, neutrones y electrones. [ cita necesaria ] Modificando las partículas dentro de un átomo normal, se pueden formar átomos exóticos . [31] Un ejemplo simple sería el hidrógeno-4.1 , que tiene uno de sus electrones reemplazado por un muón. [32]
El gravitón es una partícula hipotética que puede mediar en la interacción gravitacional, pero no ha sido detectada ni conciliada completamente con las teorías actuales. [33]
Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:
La física teórica de partículas intenta desarrollar modelos, marcos teóricos y herramientas matemáticas para comprender los experimentos actuales y hacer predicciones para experimentos futuros (ver también física teórica ). Actualmente 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 objetos observables en colisionadores y experimentos astronómicos , que junto con 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 dificultados 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 perturbativa y la teoría de campos efectiva , refiriéndose a sí mismos como fenomenólogos . [ cita necesaria ] Otros hacen uso de la teoría de campos reticulares y se llaman a sí mismos teóricos de la red .
Otro esfuerzo importante es la construcción de modelos, donde los constructores de modelos desarrollan ideas sobre qué puede haber física más allá del modelo estándar (a energías más altas o distancias más pequeñas). Este trabajo suele estar motivado por el problema de la jerarquía y está limitado por los datos experimentales existentes. [46] [47] Puede implicar trabajo sobre supersimetría , alternativas al mecanismo de Higgs , dimensiones extraespaciales (como los modelos Randall-Sundrum ), teoría de preones , combinaciones de estas u otras ideas.
Un tercer esfuerzo importante en la 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 mediante la construcción de una teoría basada en pequeñas cuerdas y branas en lugar de partículas. Si la teoría tiene éxito, puede considerarse una " Teoría del Todo " o "TOE". [48]
También hay otras áreas de trabajo en la física teórica de partículas que van desde la cosmología de partículas hasta la gravedad cuántica de bucles . [ cita necesaria ]
En principio, toda la física (y las aplicaciones prácticas desarrolladas a partir de ella) puede derivarse del estudio de las partículas fundamentales. En la práctica, incluso si por "física de partículas" se entiende sólo "destructores de átomos de alta energía", durante estas investigaciones pioneras se han desarrollado muchas tecnologías que luego encuentran amplios usos en la sociedad. Los aceleradores de partículas se utilizan para producir isótopos médicos para investigación y tratamiento (por ejemplo, isótopos utilizados en imágenes PET ), o se utilizan directamente en radioterapia de haz externo . El desarrollo de superconductores se ha visto impulsado por su uso en la 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 laboral, lo que ilustra una lista larga y creciente de aplicaciones prácticas beneficiosas con contribuciones de la física de partículas. [49]
Los principales esfuerzos para buscar física más allá del Modelo Estándar incluyen el Futuro Colisionador Circular propuesto para el CERN [50] y el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas (P5) en los EE. UU. que actualizará el estudio P5 de 2014 que recomendó el Experimento Subterráneo Profundo de Neutrinos , entre otros. otros experimentos.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)La materia ordinaria está compuesta enteramente de partículas de primera generación, a saber, los quarks u y d, más el electrón y su neutrino.
... bosón: una partícula portadora de fuerza, a diferencia de una partícula de materia (fermión). Los bosones se pueden apilar unos encima de otros sin límite. Algunos ejemplos son fotones, gluones, gravitones, bosones débiles y el bosón de Higgs. El espín de un bosón es siempre un número entero: 0, 1, 2, etcétera...
Conservación de la materia significa conservación del número bariónico
A
y del número leptónico
L
, siendo
A
y
L
números algebraicos.
A
y
L
positivos
están asociados a partículas de materia,
A
y
L
negativos están asociados a partículas de antimateria. Todas las interacciones conocidas conservan la materia.
