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La idea de que la materia está formada por partículas más pequeñas y que existe un número limitado de tipos de partículas primarias, las más pequeñas, en la naturaleza, ha existido en la filosofía natural al menos desde el siglo VI a. C. Estas ideas ganaron credibilidad física a partir del siglo XIX, pero el concepto de "partícula elemental" sufrió algunos cambios en su significado : en particular, la física moderna ya no considera que las partículas elementales sean indestructibles. Incluso las partículas elementales pueden desintegrarse o colisionar de forma destructiva ; pueden dejar de existir y crear (otras) partículas como resultado.
Se han descubierto e investigado partículas cada vez más pequeñas: entre ellas se encuentran las moléculas , que están formadas por átomos , que a su vez están formados por partículas subatómicas , es decir, núcleos atómicos y electrones . Se han descubierto muchos más tipos de partículas subatómicas. Finalmente, se descubrió que la mayoría de estas partículas (pero no los electrones) estaban compuestas por partículas aún más pequeñas, como los quarks . La física de partículas estudia estas partículas más pequeñas; la física nuclear estudia los núcleos atómicos y sus constituyentes (inmediatos): protones y neutrones .
La idea de que toda la materia está compuesta de partículas elementales data del siglo VI a. C. [1] Los jainistas de la antigua India fueron los primeros en defender la naturaleza particular de los objetos materiales entre los siglos IX y V a. C. Según líderes jainistas como Parshvanatha y Mahavira , la ajiva (parte no viviente del universo) consiste en materia o pudgala , de forma definida o indefinida que está formada por pequeñas partículas incontables e invisibles llamadas permanu . Permanu ocupa un punto espacial y cada permanu tiene un color, olor, sabor y textura definidos. Infinitas variedades de permanu se unen y forman pudgala . [2] La doctrina filosófica del atomismo y la naturaleza de las partículas elementales también fueron estudiadas por filósofos griegos antiguos como Leucipo , Demócrito y Epicuro ; filósofos indios antiguos como Kanada , Dignāga y Dharmakirti ; Científicos musulmanes como Ibn al-Haytham , Ibn Sina y Mohammad al-Ghazali ; y en la Europa moderna temprana por físicos como Pierre Gassendi , Robert Boyle e Isaac Newton . La teoría de partículas de la luz también fue propuesta por Ibn al-Haytham , Ibn Sina , Gassendi y Newton.
Esas primeras ideas se basaban en razonamientos filosóficos abstractos , más que en la experimentación y la observación empírica , y representaban sólo una línea de pensamiento entre muchas. En cambio, ciertas ideas de Gottfried Wilhelm Leibniz (véase Monadología ) contradicen casi todo lo que se conoce en física moderna.
En el siglo XIX, John Dalton , a través de su trabajo sobre estequiometría , concluyó que cada elemento químico estaba compuesto de un único tipo de partícula. Dalton y sus contemporáneos creían que esas eran las partículas fundamentales de la naturaleza y por eso las llamaron átomos, de la palabra griega atomos , que significa "indivisible" [3] o "sin cortar". Sin embargo, cerca del final del siglo XIX, los físicos descubrieron que los átomos de Dalton no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino conglomerados de partículas aún más pequeñas.
A lo largo del siglo XIX, los científicos exploraron muchos fenómenos de electricidad y magnetismo, que culminaron en una teoría precisa de James Clerk Maxwell . [4] Esta teoría era un modelo de campo continuo desarrollado en torno a las ideas del éter luminífero . Cuando ningún experimento pudo producir evidencia de tal éter, y en vista de la creciente evidencia que apoyaba el modelo atómico, Hendrik Antoon Lorentz desarrolló una teoría del electromagnetismo basada en "iones" que reproducía el modelo de Maxwell. [5] : 77
El electrón fue descubierto entre 1879 y 1897 en los trabajos de William Crookes , Arthur Schuster , JJ Thomson y otros físicos; su carga fue medida cuidadosamente por Robert Andrews Millikan y Harvey Fletcher en su experimento de la gota de aceite de 1909. Los físicos teorizaron que los electrones cargados negativamente son parte constituyente de los " átomos ", junto con alguna sustancia (aún desconocida) cargada positivamente, y más tarde se confirmó. El electrón se convirtió en la primera partícula elemental, verdaderamente fundamental, descubierta.
Los estudios sobre la "radiactividad", que pronto revelaron el fenómeno de la desintegración radiactiva , aportaron otro argumento contra la consideración de los elementos químicos como elementos fundamentales de la naturaleza. A pesar de estos descubrimientos, el término átomo se mantuvo fiel a los átomos (químicos) de Dalton y ahora denota la partícula más pequeña de un elemento químico, no algo realmente indivisible.
Los físicos de principios del siglo XX conocían únicamente dos fuerzas fundamentales : el electromagnetismo y la gravitación , aunque esta última no podía explicar la estructura de los átomos. Por lo tanto, era obvio suponer que una sustancia desconocida con carga positiva atrae a los electrones mediante la fuerza de Coulomb .
En 1909, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que una partícula alfa se combina con dos electrones y forma un átomo de helio . En términos modernos, las partículas alfa son helio doblemente ionizado (más precisamente,4Él) átomos. La especulación sobre la estructura de los átomos se vio severamente restringida por el experimento de la lámina de oro de Rutherford de 1907 , que demostró que el átomo es principalmente espacio vacío, con casi toda su masa concentrada en un minúsculo núcleo atómico .
En 1914, los experimentos de Ernest Rutherford, Henry Moseley , James Franck y Gustav Hertz habían establecido en gran medida la estructura de un átomo como un núcleo denso de carga positiva rodeado de electrones de menor masa. [6] Estos descubrimientos arrojaron luz sobre la naturaleza de la desintegración radiactiva y otras formas de transmutación de elementos, así como de los elementos mismos. Resultó que el número atómico no es otra cosa que la carga eléctrica (positiva) del núcleo atómico de un átomo en particular. Las transformaciones químicas, gobernadas por interacciones electromagnéticas , no cambian los núcleos; por eso los elementos son químicamente indestructibles. Pero cuando el núcleo cambia su carga y/o masa (al emitir o capturar una partícula ), el átomo puede convertirse en el de otro elemento. La relatividad especial explicó cómo el defecto de masa está relacionado con la energía producida o consumida en las reacciones. La rama de la física que estudia las transformaciones y la estructura de los núcleos se denomina ahora física nuclear , en contraste con la física atómica que estudia la estructura y las propiedades de los átomos ignorando la mayoría de los aspectos nucleares. El desarrollo de la naciente física cuántica , como el modelo de Bohr , condujo a la comprensión de la química en términos de la disposición de los electrones en el volumen mayoritariamente vacío de los átomos.
En 1918, Rutherford confirmó que el núcleo del hidrógeno era una partícula con carga positiva, a la que llamó protón . Para entonces, las investigaciones de Frederick Soddy sobre elementos radiactivos y los experimentos de J. J. Thomson y F. W. Aston demostraron de manera concluyente la existencia de isótopos , cuyos núcleos tienen masas diferentes a pesar de números atómicos idénticos. Esto llevó a Rutherford a conjeturar que todos los núcleos excepto el hidrógeno contienen partículas sin carga, a las que llamó neutrón . Las evidencias de que los núcleos atómicos consisten en algunas partículas más pequeñas (ahora llamadas nucleones ) aumentaron; se hizo obvio que, mientras que los protones se repelen entre sí electrostáticamente , los nucleones se atraen entre sí por alguna nueva fuerza ( fuerza nuclear ). Culminó con las pruebas de fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basada en experimentos de Otto Hahn ), y fusión nuclear por Hans Bethe en ese mismo año. Estos descubrimientos dieron origen a una activa industria de generación de un átomo a partir de otro, haciendo posible incluso (aunque probablemente nunca sea rentable) la transmutación del plomo en oro ; y, esos mismos descubrimientos condujeron también al desarrollo de armas nucleares .
Una mayor comprensión de las estructuras atómicas y nucleares se hizo imposible sin mejorar el conocimiento sobre la esencia de las partículas. Los experimentos y las teorías mejoradas (como las "ondas electrónicas" de Erwin Schrödinger ) revelaron gradualmente que no existe una diferencia fundamental entre partículas y ondas . Por ejemplo, las ondas electromagnéticas se reformularon en términos de partículas llamadas fotones . También reveló que los objetos físicos no cambian sus parámetros, como la energía total , la posición y el momento , como funciones continuas del tiempo , como se pensaba en la física clásica: véase la transición electrónica atómica , por ejemplo.
Otro descubrimiento crucial fue el de las partículas idénticas o, más generalmente, la estadística cuántica de partículas . Se estableció que todos los electrones son idénticos: aunque pueden existir dos o más electrones simultáneamente con parámetros diferentes, no mantienen historias separadas y distinguibles. Esto también se aplica a los protones, neutrones y (con ciertas diferencias) también a los fotones. Sugirió que existe un número limitado de tipos de partículas más pequeñas en el universo .
El teorema de estadística de espín estableció que cualquier partícula en nuestro espacio-tiempo puede ser un bosón (es decir, su estadística es Bose-Einstein ) o un fermión (es decir, su estadística es Fermi-Dirac ). Más tarde se descubrió que todos los bosones fundamentales transmiten fuerzas, como el fotón que transmite la luz. Algunos de los bosones no fundamentales (es decir, los mesones ) también pueden transmitir fuerzas (ver más abajo), aunque no fundamentales. Los fermiones son partículas "como los electrones y los nucleones" y generalmente componen la materia. Nótese que cualquier partícula subatómica o atómica compuesta por un número total par de fermiones (como protones, neutrones y electrones) es un bosón, por lo que un bosón no es necesariamente un transmisor de fuerza y perfectamente puede ser una partícula material ordinaria.
El espín es la cantidad que distingue a los bosones de los fermiones. Prácticamente aparece como un momento angular intrínseco de una partícula, que no está relacionado con su movimiento pero está vinculado con algunas otras características como un dipolo magnético . Teóricamente se explica a partir de diferentes tipos de representaciones de grupos de simetría , a saber, representaciones tensoriales (incluyendo vectores y escalares) para bosones con sus espines enteros (en ħ ), y representaciones espinorales para fermiones con sus espines semienteros .
La mejor comprensión del mundo de las partículas impulsó a los físicos a hacer predicciones audaces, como la del positrón de Dirac en 1928 (basada en el modelo del mar de Dirac ) y la del neutrino de Pauli en 1930 (basada en la conservación de la energía y el momento angular en la desintegración beta ). Ambas fueron confirmadas posteriormente.
Esto culminó en la formulación de ideas de una teoría cuántica de campos . La primera (y la única matemáticamente completa) de estas teorías, la electrodinámica cuántica , permitió explicar a fondo la estructura de los átomos, incluida la tabla periódica y los espectros atómicos . Las ideas de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos también se aplicaron a la física nuclear. Por ejemplo, la desintegración α se explicó como un efecto túnel cuántico a través del potencial nuclear, la estadística fermiónica de los nucleones explicó el apareamiento de nucleones ,y Hideki Yukawa propuso ciertas partículas virtuales (ahora conocidas como π-mesones ) como explicación de la fuerza nuclear.
El desarrollo de modelos nucleares (como el modelo de gota líquida y el modelo de capas nucleares ) hizo posible la predicción de propiedades de los nucleidos . Ningún modelo existente de interacción nucleón-nucleón puede calcular analíticamente algo más complejo que4
Él
basado en principios de mecánica cuántica, aunque (nótese que el cálculo completo de las capas de electrones en los átomos también es imposible todavía).
La rama más desarrollada de la física nuclear en la década de 1940 fueron los estudios relacionados con la fisión nuclear debido a su importancia militar. El principal foco de los problemas relacionados con la fisión es la interacción de los núcleos atómicos con los neutrones: un proceso que ocurre en una bomba de fisión y un reactor de fisión nuclear . Poco a poco se alejó del resto de la física subatómica y prácticamente se convirtió en la ingeniería nuclear . Los primeros elementos transuránicos sintetizados también se obtuvieron en este contexto, a través de la captura de neutrones y la posterior desintegración β − .
Los elementos que van más allá del fermio no se pueden producir de esta manera. Para crear un nucleido con más de 100 protones por núcleo, hay que recurrir a un inventario y a métodos de física de partículas (ver detalles a continuación), es decir, acelerar y hacer colisionar núcleos atómicos. La producción de elementos sintéticos cada vez más pesados continuó hasta el siglo XXI como una rama de la física nuclear, pero sólo con fines científicos.
La tercera corriente importante en la física nuclear son las investigaciones relacionadas con la fusión nuclear , que están relacionadas con las armas termonucleares (y la energía termonuclear pacífica concebida ), así como con las investigaciones astrofísicas , como la nucleosíntesis estelar y la nucleosíntesis del Big Bang .
En la década de 1950, con el desarrollo de los aceleradores de partículas y los estudios de los rayos cósmicos , los experimentos de dispersión inelástica sobre protones (y otros núcleos atómicos) con energías de cientos de MeV se hicieron asequibles. Crearon algunas "partículas" de resonancia de vida corta , pero también hiperones y mesones K con una vida inusualmente larga. La causa de esto último se encontró en una nueva cantidad cuasi conservada , llamada extrañeza , que se conserva en todas las circunstancias excepto en la interacción débil . La extrañeza de las partículas pesadas y el μ-leptón fueron los dos primeros signos de lo que ahora se conoce como la segunda generación de partículas fundamentales.
La interacción débil pronto reveló otro misterio. En 1957, Chien-Shiung Wu demostró que no conserva la paridad . En otras palabras, la simetría especular fue refutada como una ley de simetría fundamental .
Durante las décadas de 1950 y 1960, las mejoras en los aceleradores y detectores de partículas dieron lugar a una asombrosa variedad de partículas encontradas en experimentos de alta energía. El término partícula elemental pasó a referirse a docenas de partículas, la mayoría de ellas inestables . Esto motivó la observación de Wolfgang Pauli: "Si hubiera previsto esto, me habría dedicado a la botánica". La colección completa recibió el apodo de " zoológico de partículas ". Se hizo evidente que algunos constituyentes más pequeños, pero invisibles, forman mesones y bariones que contaban con la mayoría de las partículas conocidas en ese momento.
La interacción de estas partículas mediante dispersión y desintegración proporcionó una clave para nuevas teorías cuánticas fundamentales. Murray Gell-Mann y Yuval Ne'eman pusieron cierto orden en los mesones y bariones, las clases más numerosas de partículas, clasificándolos según ciertas cualidades. Comenzó con lo que Gell-Mann denominó el " camino óctuple ", pero continuó con varios "octetos" y "decupletes" diferentes que podían predecir nuevas partículas, la más famosa de las cuales era la
Ohmio−
, que se detectó en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1964, y que dio lugar al modelo de quarks de la composición de hadrones. Si bien el modelo de quarks al principio parecía inadecuado para describir las fuerzas nucleares fuertes , lo que permitió el surgimiento temporal de teorías competidoras como la teoría de la matriz S , el establecimiento de la cromodinámica cuántica en la década de 1970 finalizó un conjunto de partículas fundamentales y de intercambio (Kragh 1999). Postuló la interacción fuerte fundamental , experimentada por los quarks y mediada por los gluones . Estas partículas se propusieron como material de construcción para los hadrones (ver hadronización ). Esta teoría es inusual porque los quarks individuales (libres) no se pueden observar (ver confinamiento de color ), a diferencia de la situación con los átomos compuestos donde los electrones y los núcleos se pueden aislar transfiriendo energía de ionización al átomo.
Luego, la antigua y amplia denominación de partícula elemental cayó en desuso y el término partícula subatómica, que lo sustituyó , cubrió todo el "zoológico", con su hipónimo " hadrón " haciendo referencia a las partículas compuestas explicadas directamente por el modelo de quarks. La designación de partícula "elemental" (o "fundamental") se reservó únicamente para los leptones , los quarks, sus antipartículas y los cuantos de interacciones fundamentales (véase más adelante).
Dado que la teoría cuántica de campos (ver arriba) no postula ninguna diferencia entre partículas e interacciones , la clasificación de las partículas elementales permitió también clasificar las interacciones y los campos .
En la actualidad, una gran cantidad de partículas e interacciones (no fundamentales) se explican como combinaciones de una cantidad (relativamente) pequeña de sustancias fundamentales, que se consideran interacciones fundamentales (encarnadas en bosones fundamentales ), quarks (incluidas las antipartículas) y leptones (incluidas las antipartículas). Como la teoría distinguió varias interacciones fundamentales, se hizo posible ver qué partículas elementales participan en qué interacción. A saber:
El siguiente paso fue una reducción en el número de interacciones fundamentales, prevista por los físicos de principios del siglo XX como la " teoría del campo unido ". La primera teoría unificada moderna exitosa fue la teoría electrodébil , desarrollada por Abdus Salam , Steven Weinberg y, posteriormente, Sheldon Glashow . Este desarrollo culminó en la finalización de la teoría llamada el Modelo Estándar en la década de 1970, que incluía también la interacción fuerte, cubriendo así tres fuerzas fundamentales. Después del descubrimiento, hecho en el CERN , de la existencia de corrientes débiles neutras , [7] [8] [9] [10] mediadas por el bosón Z previsto en el modelo estándar, los físicos Salam, Glashow y Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su teoría electrodébil. [11] El descubrimiento de los bosones de calibre débiles (cuantos de interacción débil ) durante la década de 1980, y la verificación de sus propiedades durante la década de 1990 se considera una era de consolidación en la física de partículas.
Aunque los aceleradores han confirmado la mayoría de los aspectos del Modelo Estándar al detectar interacciones de partículas esperadas a diversas energías de colisión, todavía no se ha encontrado ninguna teoría que concilie la relatividad general con el Modelo Estándar, aunque muchos teóricos creían que la supersimetría y la teoría de cuerdas eran un camino prometedor hacia adelante. Sin embargo, el Gran Colisionador de Hadrones , que comenzó a funcionar en 2008, no ha logrado encontrar evidencia alguna que respalde la supersimetría y la teoría de cuerdas [12] y parece poco probable que lo haga, lo que significa que "la situación actual en la teoría fundamental es la de una grave falta de nuevas ideas en absoluto". [13] Esta situación no debería verse como una crisis en la física, sino más bien, como ha dicho David Gross , "el tipo de confusión científica aceptable que el descubrimiento finalmente trasciende". [14]
La cuarta fuerza fundamental, la gravitación , aún no está integrada en la física de partículas de manera consistente.
En 2011, el bosón de Higgs , el cuanto de un campo que se cree que proporciona a las partículas masas en reposo , seguía siendo la única partícula del Modelo Estándar que se había verificado. El 4 de julio de 2012, los físicos que trabajaban en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunciaron que habían descubierto una nueva partícula subatómica muy parecida al bosón de Higgs, una clave potencial para comprender por qué las partículas elementales tienen masas y, de hecho, para la existencia de diversidad y vida en el universo. [15] Rolf-Dieter Heuer , director general del CERN, dijo que era demasiado pronto para saber con certeza si se trata de una partícula completamente nueva, que pesa 125 mil millones de electronvoltios (una de las partículas subatómicas más pesadas hasta ahora) o, de hecho, la esquiva partícula predicha por el Modelo Estándar , la teoría que ha regido la física durante el último medio siglo. [15] Se desconoce si esta partícula es una impostora, una partícula única o incluso la primera de muchas partículas aún por descubrir. Las últimas posibilidades son particularmente emocionantes para los físicos ya que podrían señalar el camino hacia nuevas ideas más profundas, más allá del Modelo Estándar , sobre la naturaleza de la realidad. Por ahora, algunos físicos la llaman una partícula "similar al Higgs". [15] Joe Incandela , de la Universidad de California, Santa Bárbara , dijo: "Es algo que, al final, puede ser una de las mayores observaciones de cualquier fenómeno nuevo en nuestro campo en los últimos 30 o 40 años, remontándose al descubrimiento de los quarks, por ejemplo". [15] Los grupos que operan los grandes detectores en el colisionador dijeron que la probabilidad de que su señal fuera el resultado de una fluctuación aleatoria era menor que una probabilidad en 3,5 millones, lo que se llama "cinco sigma", que es el estándar de oro en física para un descubrimiento. Michael Turner , cosmólogo de la Universidad de Chicago y presidente de la junta del centro de física, dijo
Este es un momento importante para la física de partículas y una encrucijada: ¿será este el punto culminante o será el primero de muchos descubrimientos que nos encaminarán hacia la solución de las grandes preguntas que nos hemos planteado?
— Michael Turner , Universidad de Chicago [15]
La confirmación del bosón de Higgs o de algo muy parecido constituiría una cita con el destino para una generación de físicos que han creído en la existencia del bosón durante medio siglo sin haberlo visto nunca. Además, afirmaría una visión grandiosa de un universo regido por leyes simples, elegantes y simétricas, pero en el que todo lo interesante en él es resultado de defectos o rupturas de esa simetría. [15] Según el Modelo Estándar, el bosón de Higgs es la única manifestación visible y particular de un campo de fuerza invisible que impregna el espacio e imbuye de masa a partículas elementales que de otro modo no tendrían masa. Sin este campo de Higgs, o algo parecido, dicen los físicos que todas las formas elementales de la materia se desplazarían a la velocidad de la luz; no habría ni átomos ni vida. El bosón de Higgs alcanzó una notoriedad poco común en la física abstracta. [15] Para eterna consternación de sus colegas, Leon Lederman, el ex director del Fermilab , la llamó la "partícula de Dios" en su libro del mismo nombre, bromeando más tarde que había querido llamarla "la maldita partícula". [15] El profesor Incandela también afirmó:
Este bosón es algo muy profundo que hemos descubierto. Estamos penetrando en el tejido del universo a un nivel que nunca antes habíamos alcanzado. Hemos completado la historia de una partícula [...] Ahora estamos en la frontera, al borde de una nueva exploración. Esta podría ser la única parte de la historia que quede, o podríamos abrir un nuevo reino de descubrimiento.
— Joe Incandela, Universidad de California [16]
El Dr. Peter Higgs fue uno de los seis físicos que, trabajando en tres grupos independientes, en 1964 inventaron la noción de melaza cósmica, o campo de Higgs. Los otros fueron Tom Kibble del Imperial College de Londres ; Carl Hagen de la Universidad de Rochester ; Gerald Guralnik de la Universidad Brown ; y François Englert y Robert Brout , ambos de la Universidad Libre de Bruselas . [15] Una implicación de su teoría era que este campo de Higgs, normalmente invisible y, por supuesto, inodoro, produciría su propia partícula cuántica si se la golpeara con la suficiente fuerza, con la cantidad correcta de energía. La partícula sería frágil y se desintegraría en una millonésima de segundo de una docena de formas diferentes dependiendo de su propia masa. Desafortunadamente, la teoría no decía cuánto debería pesar esta partícula, lo que la hizo tan difícil de encontrar. La partícula eludió a los investigadores en una sucesión de aceleradores de partículas, incluido el Gran Colisionador de Electrones y Positrones del CERN, que cerró en 2000, y el Tevatron en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi , o Fermilab, en Batavia, Illinois, que cerró en 2011. [15]
Continuaron los experimentos y en marzo de 2013 se confirmó tentativamente que la partícula recién descubierta era un bosón de Higgs.
Aunque nunca se han visto, los campos tipo Higgs desempeñan un papel importante en las teorías del universo y en la teoría de cuerdas. En determinadas condiciones, según la extraña explicación de la física de Einstein, pueden impregnarse de energía que ejerce una fuerza antigravitatoria. Se ha propuesto que estos campos son la fuente de un enorme estallido de expansión, conocido como inflación, en los comienzos del universo y, posiblemente, el secreto de la energía oscura que ahora parece estar acelerando la expansión del universo. [15]