En física , una partícula subatómica es una partícula más pequeña que un átomo . [1] Según el modelo estándar de física de partículas , una partícula subatómica puede ser una partícula compuesta , que está formada por otras partículas (por ejemplo, un barión , como un protón o un neutrón , compuesto por tres quarks ; o un mesón , compuesta por dos quarks), o una partícula elemental , que no está compuesta por otras partículas (por ejemplo, quarks ; o electrones , muones y partículas tau , que se denominan leptones ). [2] La física de partículas y la física nuclear estudian estas partículas y cómo interactúan. [3] La mayoría de las partículas portadoras de fuerza, como fotones o gluones , se denominan bosones y, aunque tienen cuantos discretos de energía, no tienen masa en reposo ni diámetros discretos (aparte de la longitud de onda de energía pura) y son diferentes a las partículas anteriores que tienen masa en reposo y no pueden superponerse ni combinarse y se llaman fermiones .
Los experimentos muestran que la luz podría comportarse como una corriente de partículas (llamadas fotones ), además de exhibir propiedades ondulatorias. Esto llevó al concepto de dualidad onda-partícula para reflejar que las partículas de escala cuántica se comportan tanto como partículas como como ondas ; a veces se les llama ondulación para reflejar esto. [4]
Otro concepto, el principio de incertidumbre , establece que algunas de sus propiedades tomadas en conjunto, como su posición simultánea y su momento , no se pueden medir con exactitud. [5] Se ha demostrado que la dualidad onda-partícula se aplica no sólo a los fotones sino también a partículas más masivas. [6]
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 partícula tiene diversas descripciones. Estos intentos profesionales de definir una partícula incluyen: [7]
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 unida.
Las partículas elementales del Modelo Estándar son: [8]
Todos estos han sido descubiertos ahora mediante experimentos, siendo los últimos 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 hasta 2021 no se ha descubierto ninguna.
La palabra hadrón proviene del griego y fue introducida en 1962 por Lev Okun . [9] 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 ). Aquellos que contienen pocos (≤ 5) quarks (incluidos los antiquarks) se denominan hadrones . Debido a una propiedad conocida como confinamiento del color , los quarks nunca se encuentran solos, sino que siempre aparecen 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 diferencia los más conocidos; y los mesones que contienen 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 desintegran en otras partículas en microsegundos o menos. Un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo , mientras que el neutrón está formado por dos quarks abajo y un quark arriba. Estos comúnmente se unen formando 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 como para unirse formando compuestos similares a núcleos; aquellos que lo hacen (aparte del protón y el neutrón) forman núcleos exóticos .
Cualquier partícula subatómica, como cualquier partícula del espacio tridimensional que obedezca las leyes de la mecánica cuántica , puede ser o bien un bosón (con espín entero ) o un fermión (con espín semientero impar).
En el modelo estándar, todos los fermiones elementales tienen espín 1/2 y se dividen en quarks que llevan carga de color y por tanto sienten la interacción fuerte, y leptones que no. Los bosones elementales comprenden los bosones de calibre (fotón, W y Z, gluones) con espín 1, mientras que el bosón de Higgs es la única partícula elemental con espín cero.
En teoría, se requiere que el gravitón hipotético tenga espín 2, pero no forma parte del modelo estándar. Algunas extensiones, como la supersimetría, predicen partículas elementales adicionales con espín 3/2, pero no se ha descubierto ninguna hasta 2021.
Debido a las leyes del espín de las partículas compuestas, los bariones (3 quarks) tienen espín 1/2 o 3/2 y, por tanto, son fermiones; los mesones (2 quarks) tienen espín entero de 0 o 1 y, por tanto, son bosones.
En la 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 la denomina masiva .
Todas las partículas compuestas son masivas. Los bariones (que significan "pesados") tienden a tener mayor masa que los mesones (que significan "intermedios"), que a su vez tienden a ser más pesados que los leptones (que significan "ligeros"), 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 el modelo de quarks fuera aceptado en la década de 1970, se reconoció que los bariones están compuestos de tres quarks, los mesones están compuestos de un quark y un antiquark, mientras que los leptones son elementales y se definen como fermiones elementales sin carga de color .
Todas las partículas sin masa (partículas cuya masa invariante es cero) son elementales. Entre ellos se incluyen el fotón y el gluón, aunque este último no puede aislarse.
La mayoría de las partículas subatómicas no son estables. Todos los leptones, así como los bariones, se desintegran mediante la fuerza fuerte o la fuerza débil (excepto el protón). No se sabe que los protones se desintegren , aunque se desconoce si son "verdaderamente" estables, ya que algunas Grandes Teorías Unificadas (GUT) muy importantes en realidad lo requieren. Los muones μ y τ, así como sus antipartículas, se desintegran por la fuerza débil. Los neutrinos (y antineutrinos) no se desintegran, pero se cree que existe un fenómeno relacionado de oscilaciones de neutrinos incluso en el vacío. El electrón y su antipartícula, el positrón , son teóricamente estables debido a la conservación de la carga , a menos que exista una partícula más ligera con una magnitud de carga eléctrica ≤ e (lo cual es poco probable). Su cargo aún no se muestra.
Todas las partículas subatómicas observables tienen su carga eléctrica un múltiplo entero de la carga elemental . Los quarks del modelo estándar tienen cargas eléctricas "no enteras", es decir, múltiplos de1/3 e , pero los quarks (y otras combinaciones con carga eléctrica no entera) no pueden aislarse debido al confinamiento del 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. [10] Esto se ha verificado no sólo 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 ondulatorias de los objetos macroscópicos no pueden detectarse debido a sus pequeñas longitudes de onda. [11]
Las interacciones entre partículas han sido analizadas durante muchos siglos, y unas pocas leyes simples sustentan cómo se comportan las partículas en colisiones e interacciones. Las más fundamentales son las leyes de conservación de la energía y de conservación del momento , que nos permiten hacer cálculos de interacciones entre partículas en escalas de magnitud que van desde estrellas hasta quarks . [12] Estos son los requisitos básicos de la mecánica newtoniana , una serie de enunciados y ecuaciones en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , publicado originalmente en 1687.
El electrón cargado negativamente tiene una masa de aproximadamente1/1836del 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 la misma cantidad de protones pero diferente cantidad de neutrones. El número másico de un isótopo es el número total de nucleones (neutrones y protones colectivamente).
La química se ocupa de cómo el intercambio de electrones une 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 estudia cómo se organizan los protones y los neutrones en los 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 el número y tipo de partículas requiere la teoría cuántica de campos . El estudio de las partículas subatómicas per se se denomina 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 sólo como resultado de los rayos cósmicos o en aceleradores de partículas . La fenomenología de partículas sistematiza el conocimiento sobre las partículas subatómicas obtenido a partir de estos experimentos. [13]
El término " partícula subatómica " es en gran medida un retrónimo de la década de 1960, utilizado para distinguir una gran cantidad de bariones y mesones (que comprenden hadrones ) de partículas que ahora se consideran verdaderamente elementales . Antes, los hadrones se clasificaban habitualmente como "elementales" porque se desconocía su composición.
A continuación se incluye una lista de descubrimientos importantes:
El modelo de campo finito del fotón es a la vez una partícula y una onda, y por eso nos referimos a él con el nombre de Eddington de "ondulación".
Tanto para longitudes de onda grandes como pequeñas, tanto la materia como la radiación tienen aspectos tanto de partícula como de onda. [...] Pero los aspectos ondulatorios de su movimiento se vuelven más difíciles de observar a medida que sus longitudes de onda se vuelven más cortas. [...] Para las partículas macroscópicas ordinarias, la masa es tan grande que el impulso siempre es 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.
