En física de partículas , una partícula elemental o partícula fundamental es una partícula subatómica que no está compuesta por otras partículas. [1] El modelo estándar reconoce actualmente diecisiete partículas distintas: doce fermiones y cinco bosones . Como consecuencia de las combinaciones de sabores y colores y de la antimateria , se sabe que los fermiones y bosones tienen 48 y 13 variaciones, respectivamente. [2] Entre las 61 partículas elementales que abarca el modelo estándar se encuentran: electrones y otros leptones , quarks y bosones fundamentales . Las partículas subatómicas como los protones o los neutrones , que contienen dos o más partículas elementales, se conocen como partículas compuestas .
La materia ordinaria está compuesta de átomos , que alguna vez se consideraron partículas elementales indivisibles. El nombre átomo proviene de la palabra griega antigua ἄτομος (átomos) que significa indivisible o indivisible . A pesar de las teorías sobre los átomos que habían existido durante miles de años , la existencia real de los átomos siguió siendo controvertida hasta 1905. En ese año, Albert Einstein publicó su artículo sobre el movimiento browniano , poniendo fin a las teorías que habían considerado a las moléculas como ilusiones matemáticas y afirmando que la materia En última instancia, estaba compuesto por varias concentraciones de energía . [1] [3]
Los constituyentes subatómicos del átomo se identificaron por primera vez hacia finales del siglo XIX , comenzando con el electrón , seguido por el protón en 1919, el fotón en la década de 1920 y el neutrón en 1932. [1] En ese momento, la llegada de la tecnología cuántica La mecánica había modificado radicalmente la definición de "partícula" al proponer una comprensión según la cual llevaban a cabo una existencia simultánea como ondas de materia . [4] [5]
Desde su codificación en la década de 1970 se han realizado muchas elaboraciones teóricas sobre el modelo estándar y más allá de él . Estos incluyen nociones de supersimetría , que duplican el número de partículas elementales al plantear la hipótesis de que cada partícula conocida se asocia con una compañera "sombra" mucho más masiva. [6] [7] Sin embargo, al igual que un bosón elemental adicional que media la gravitación, estos supercompañeros permanecen sin descubrir a partir de 2024. [8] [9] [1]
Todas las partículas elementales son bosones o fermiones . Estas clases se distinguen por sus estadísticas cuánticas : los fermiones obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac y los bosones obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein . [1] Su espín se diferencia mediante el teorema de estadística de espín : es medio entero para los fermiones y entero para los bosones.
Notas :
[†]Un antielectrón (
mi+
) se denomina convencionalmente " positrón ".
[‡]Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen espín = 1. El gravitón hipotético tiene espín = 2; se desconoce si también es un bosón de calibre.
En el modelo estándar , las partículas elementales se representan para fines predictivos como partículas puntuales . Aunque extremadamente exitoso, el modelo estándar está limitado por la omisión de la gravitación y tiene algunos parámetros agregados arbitrariamente pero sin explicación. [10]
Según los modelos actuales de nucleosíntesis del Big Bang , la composición primordial de la materia visible del universo debería ser aproximadamente un 75% de hidrógeno y un 25% de helio-4 (en masa). Los neutrones están formados por un quark arriba y dos abajo, mientras que los protones están formados por dos quark arriba y uno abajo. Dado que las otras partículas elementales comunes (como electrones, neutrinos o bosones débiles) son tan ligeras o tan raras en comparación con los núcleos atómicos, podemos ignorar su contribución de masa a la masa total del universo observable. Por tanto, se puede concluir que la mayor parte de la masa visible del universo está formada por protones y neutrones que, como todos los bariones , a su vez están formados por quarks up y down.
Algunas estimaciones implican que hay aproximadamente 1080 bariones (casi en su totalidad protones y neutrones) en el universo observable. [ cita necesaria ]
El número de protones en el universo observable se llama número de Eddington .
En términos de número de partículas, algunas estimaciones implican que casi toda la materia, excluida la materia oscura , se encuentra en neutrinos, que constituyen la mayoría de los aproximadamente 1086 partículas elementales de materia que existen en el universo visible. [11] Otras estimaciones implican que aproximadamente 10En el universo visible existen 97 partículas elementales (sin incluir la materia oscura ), en su mayoría fotones y otros portadores de fuerza sin masa. [11]
El modelo estándar de física de partículas contiene 12 tipos de fermiones elementales , además de sus correspondientes antipartículas , así como bosones elementales que median las fuerzas y el bosón de Higgs , que se informó el 4 de julio de 2012 como probablemente detectado por los dos principales. experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones ( ATLAS y CMS ). [1] Sin embargo, se considera ampliamente que el modelo estándar es una teoría provisional más que verdaderamente fundamental, ya que no se sabe si es compatible con la relatividad general de Einstein . Puede haber hipotéticas partículas elementales no descritas por el Modelo Estándar, como el gravitón , la partícula que transportaría la fuerza gravitacional , y las espartículas , compañeras supersimétricas de las partículas ordinarias. [12]
Los 12 fermiones fundamentales se dividen en 3 generaciones de 4 partículas cada una. La mitad de los fermiones son leptones , tres de los cuales tienen una carga eléctrica de −1, llamada electrón (
mi−
), el muón (
µ−
), y la tau (
τ−
); los otros tres leptones son neutrinos (
v
mi,
v
µ,
v
τ), que son los únicos fermiones elementales sin carga eléctrica ni de color. Las seis partículas restantes son quarks (que se analizan más adelante).
La siguiente tabla enumera las masas medidas actuales y las estimaciones de masa para todos los fermiones, utilizando la misma escala de medida: millones de electronvoltios en relación con el cuadrado de la velocidad de la luz (MeV/c 2 ). Por ejemplo, la masa de quark conocida con mayor precisión es la del quark superior (
t
) en172,7 GeV/ c 2 o172 700 MeV/ c 2 , estimado utilizando el esquema on-shell .
Las estimaciones de los valores de las masas de los quarks dependen de la versión de la cromodinámica cuántica utilizada para describir las interacciones de los quarks. Los quarks siempre están confinados en una envoltura de gluones que confieren una masa mucho mayor a los mesones y bariones donde se encuentran los quarks, por lo que los valores de las masas de los quarks no se pueden medir directamente. Dado que sus masas son tan pequeñas en comparación con la masa efectiva de los gluones circundantes, ligeras diferencias en el cálculo generan grandes diferencias en las masas.
También hay 12 antipartículas fermiónicas fundamentales que corresponden a estas 12 partículas. Por ejemplo, el antielectrón (positrón)
mi+
es la antipartícula del electrón y tiene una carga eléctrica de +1.
Nunca se han detectado quarks y antiquarks aislados, hecho que se explica por el confinamiento . Cada quark lleva una de las tres cargas de color de la interacción fuerte ; Los antiquarks también llevan anticolor. Las partículas cargadas de color interactúan mediante el intercambio de gluones de la misma manera que las partículas cargadas interactúan mediante el intercambio de fotones . Sin embargo, los gluones en sí mismos están cargados de color, lo que resulta en una amplificación de la fuerza fuerte a medida que las partículas cargadas de color se separan. A diferencia de la fuerza electromagnética , que disminuye a medida que las partículas cargadas se separan, las partículas cargadas de color sienten una fuerza cada vez mayor.
No obstante, las partículas cargadas de color pueden combinarse para formar partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones . Un quark puede emparejarse con un antiquark: el quark tiene un color y el antiquark tiene el anticolor correspondiente. El color y el anticolor se anulan formando un mesón de color neutro . Alternativamente, pueden existir tres quarks juntos, siendo un quark "rojo", otro "azul" y otro "verde". Estos tres quarks de colores forman juntos un barión de color neutro . Simétricamente, tres antiquarks con los colores "antirojo", "antiazul" y "antiverde" pueden formar un antibarión de color neutro .
Los quarks también portan cargas eléctricas fraccionarias , pero, dado que están confinados dentro de hadrones cuyas cargas son todas integrales, las cargas fraccionarias nunca han sido aisladas. Tenga en cuenta que los quarks tienen cargas eléctricas de + 2 ⁄ 3 o − 1 ⁄ 3 , mientras que los antiquarks tienen cargas eléctricas correspondientes de − 2 ⁄ 3 o + 1 ⁄ 3 .
La evidencia de la existencia de quarks proviene de la dispersión inelástica profunda : el disparo de electrones a los núcleos para determinar la distribución de carga dentro de los nucleones (que son bariones). Si la carga es uniforme, el campo eléctrico alrededor del protón debería ser uniforme y el electrón debería dispersarse elásticamente. Los electrones de baja energía se dispersan de esta manera, pero, por encima de una energía particular, los protones desvían algunos electrones en ángulos grandes. El electrón que retrocede tiene mucha menos energía y se emite un chorro de partículas . Esta dispersión inelástica sugiere que la carga del protón no es uniforme sino que está dividida entre partículas cargadas más pequeñas: los quarks.
En el modelo estándar, los bosones vectoriales ( espín -1) ( gluones , fotones y bosones W y Z ) median fuerzas, mientras que el bosón de Higgs (espín-0) es responsable de la masa intrínseca de las partículas. Los bosones se diferencian de los fermiones en que varios bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico ( principio de exclusión de Pauli ). Además, los bosones pueden ser elementales, como los fotones, o una combinación, como los mesones . Los espines de los bosones son números enteros en lugar de semienteros.
En la interacción fuerte median los gluones , que unen quarks y forman así hadrones , que son bariones (tres quarks) o mesones (un quark y un antiquark). Los protones y los neutrones son bariones, unidos por gluones para formar el núcleo atómico . Al igual que los quarks, los gluones exhiben color y anticolor (sin relación con el concepto de color visual sino más bien con las fuertes interacciones de las partículas) a veces en combinaciones, en total ocho variaciones de gluones.
Hay tres bosones de calibre débiles : W + , W − y Z 0 ; estos median la interacción débil . Los bosones W son conocidos por su mediación en la desintegración nuclear: el W − convierte un neutrón en un protón y luego se desintegra en un par electrón y electrón-antineutrino. El Z 0 no convierte el sabor o las cargas de las partículas, sino que cambia el impulso; es el único mecanismo para dispersar elásticamente neutrinos. Los bosones de calibre débiles se descubrieron debido al cambio de momento en los electrones debido al intercambio de neutrinos-Z. El fotón sin masa media la interacción electromagnética . Estos cuatro bosones de calibre forman la interacción electrodébil entre partículas elementales.
Aunque las fuerzas débiles y electromagnéticas nos parecen bastante diferentes en las energías cotidianas, se teoriza que las dos fuerzas se unifican como una sola fuerza electrodébil en las energías altas. Esta predicción fue claramente confirmada por mediciones de secciones transversales de dispersión de electrones y protones de alta energía en el colisionador HERA en DESY . Las diferencias a bajas energías son consecuencia de las elevadas masas de los bosones W y Z, que a su vez son consecuencia del mecanismo de Higgs . A través del proceso de ruptura espontánea de simetría , el Higgs selecciona una dirección especial en el espacio electrodébil que hace que tres partículas electrodébiles se vuelvan muy pesadas (los bosones débiles) y una permanezca con una masa en reposo indefinida ya que siempre está en movimiento (el fotón). . El 4 de julio de 2012, después de muchos años de búsqueda experimental de pruebas de su existencia, se anunció que se había observado el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. En el anuncio estuvo presente Peter Higgs , quien fue el primero en postular la existencia del bosón de Higgs. [14] Se cree que el bosón de Higgs tiene una masa de aproximadamente 125 GeV. [15] La significancia estadística de este descubrimiento fue reportada como 5 sigma, lo que implica una certeza de aproximadamente 99,99994%. En física de partículas, este es el nivel de importancia requerido para etiquetar oficialmente las observaciones experimentales como un descubrimiento . Continúan las investigaciones sobre las propiedades de la partícula recién descubierta.
El gravitón es una hipotética partícula elemental de espín-2 propuesta para mediar la gravitación. Si bien permanece sin descubrir debido a la dificultad inherente a su detección , en ocasiones se incluye en tablas de partículas elementales. [1] El gravitón convencional no tiene masa, aunque existen algunos modelos que contienen gravitones Kaluza-Klein masivos . [dieciséis]
Aunque la evidencia experimental confirma abrumadoramente las predicciones derivadas del Modelo Estándar , algunos de sus parámetros se agregaron arbitrariamente, no determinados por una explicación particular, lo que sigue siendo un misterio, por ejemplo, el problema de la jerarquía . Las teorías más allá del modelo estándar intentan resolver estas deficiencias.
Una extensión del modelo estándar intenta combinar la interacción electrodébil con la interacción fuerte en una única "gran teoría unificada" (GUT). Tal fuerza se dividiría espontáneamente en las tres fuerzas mediante un mecanismo similar al de Higgs . Se teoriza que esta ruptura ocurre a altas energías, lo que dificulta observar la unificación en un laboratorio. La predicción más dramática de la gran unificación es la existencia de los bosones X e Y , que causan la desintegración de los protones . Sin embargo , la no observación de la desintegración de protones en el observatorio de neutrinos Super-Kamiokande descarta los GUT más simples, incluidos SU(5) y SO(10).
La supersimetría amplía el modelo estándar añadiendo otra clase de simetrías al lagrangiano . Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas con bosónicas . Tal simetría predice la existencia de partículas supersimétricas , abreviadas como espartículas , que incluyen a los sleptones , squarks , neutralinos y charginos . Cada partícula en el modelo estándar tendría una supercompañera cuyo espín difiere en ½ de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría , las partículas son mucho más pesadas que sus contrapartes ordinarias; son tan pesados que los colisionadores de partículas existentes no serían lo suficientemente potentes para producirlos. Algunos físicos creen que las partículas serán detectadas por el Gran Colisionador de Hadrones del CERN .
La teoría de cuerdas es un modelo de física según el cual todas las "partículas" que componen la materia están compuestas de cuerdas (que se miden según la longitud de Planck) que existen en 11 dimensiones (según la teoría M , la versión principal) o 12 dimensiones ( según la teoría F [17] ) universo. Estas cuerdas vibran a diferentes frecuencias que determinan la masa, la carga eléctrica, la carga de color y el giro. Una "cuerda" puede estar abierta (una línea) o cerrada en un bucle (una esfera unidimensional, es decir, un círculo). A medida que una cuerda se mueve a través del espacio, barre algo llamado hoja del mundo . La teoría de cuerdas predice de 1 a 10 branas (una 1 brana es una cuerda y una 10 branas es un objeto de 10 dimensiones) que evitan desgarros en la "tela" del espacio utilizando el principio de incertidumbre (por ejemplo, el electrón orbitando una El átomo de hidrógeno tiene la probabilidad, aunque pequeña, de que pueda estar en cualquier otro lugar del universo en un momento dado).
La teoría de cuerdas propone que nuestro universo es simplemente una 4-brana, dentro de la cual existen las 3 dimensiones espaciales y la dimensión temporal que observamos. Las 7 dimensiones teóricas restantes son muy pequeñas y acurrucadas (y demasiado pequeñas para ser accesibles macroscópicamente) o simplemente no existen o no pueden existir en nuestro universo (porque existen en un esquema más amplio llamado " multiverso " fuera de nuestro universo conocido).
Algunas predicciones de la teoría de cuerdas incluyen la existencia de contrapartes extremadamente masivas de partículas ordinarias debido a excitaciones vibratorias de la cuerda fundamental y la existencia de una partícula de espín-2 sin masa que se comporta como el gravitón .
Las teorías en tecnicolor intentan modificar el modelo estándar de forma mínima introduciendo una nueva interacción similar a la QCD. Esto significa que se añade una nueva teoría de los llamados Techniquarks, que interactúan a través de los llamados Technigluons. La idea principal es que el bosón de Higgs no es una partícula elemental sino un estado ligado de estos objetos.
Según la teoría de los preones, existen uno o más órdenes de partículas más fundamentales que las que (o la mayoría de ellas) se encuentran en el modelo estándar. Los más fundamentales se denominan normalmente preones, que se derivan de los "prequarks". En esencia, la teoría de los preones intenta hacer con el modelo estándar lo que éste hizo con el zoológico de partículas que le precedió. La mayoría de los modelos suponen que casi todo en el modelo estándar se puede explicar en términos de tres a seis partículas fundamentales más y las reglas que gobiernan sus interacciones. El interés por los preones ha disminuido desde que se descartaron experimentalmente los modelos más simples en la década de 1980.
Los acelerones son las hipotéticas partículas subatómicas que vinculan integralmente la nueva masa del neutrino con la energía oscura que se supone que acelera la expansión del universo . [18]
En esta teoría, los neutrinos están influenciados por una nueva fuerza resultante de sus interacciones con los acelerones, lo que da lugar a la energía oscura. La energía oscura se produce cuando el universo intenta separar los neutrinos. [18] Se cree que los acelerones interactúan con la materia con menos frecuencia que con los neutrinos. [19]
La dirección más importante sobre el conocimiento teórico y experimental actual sobre la física de partículas elementales es el Particle Data Group , donde diferentes instituciones internacionales recopilan todos los datos experimentales y ofrecen breves reseñas sobre la comprensión teórica contemporánea.
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