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Física de partículas

La física de partículas o física de altas energías estudia las partículas y fuerzas fundamentales que constituyen la materia y la radiación . Este campo también estudia combinac...

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La física de partículas o física de altas energías estudia las partículas y fuerzas fundamentales que constituyen la materia y la radiación . Este campo también estudia combinaciones de partículas elementales hasta la escala de protones y neutrones , mientras que el estudio de las combinaciones de protones y neutrones se denomina física nuclear .

Las partículas fundamentales del universo se clasifican en el Modelo Estándar como fermiones (partículas de materia) y bosones (partículas portadoras de fuerza). Existen tres generaciones de fermiones, aunque la materia ordinaria está formada únicamente por la primera generación. Esta primera generación consta de quarks arriba y abajo , que forman protones y neutrones , y electrones y neutrinos electrónicos . Las tres interacciones fundamentales mediadas por bosones son el electromagnetismo , la interacción débil y la interacción fuerte .

Los quarks forman hadrones , pero no pueden existir por sí solos. 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 de mayor duración solo existen durante unas centésimas de microsegundo . Se producen tras colisiones entre partículas formadas por quarks, como los protones y neutrones de alta velocidad presentes 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, mientras que el positrón tiene carga positiva. Estas antipartículas pueden, en teoría, formar una forma de materia correspondiente llamada antimateria . Algunas partículas, como el fotón , son su propia antipartícula.

Estas partículas elementales son excitaciones de los campos cuánticos que también rigen sus interacciones. La teoría dominante que explica estas partículas y campos fundamentales, junto con su dinámica, se denomina Modelo Estándar . La conciliación de la gravedad con la teoría actual de la física de partículas aún 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 experimental de partículas estudia estas partículas en procesos radiactivos y en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones . La física teórica de partículas estudia estas partículas en el contexto de la cosmología y la teoría cuántica . Ambas disciplinas están estrechamente relacionadas: el bosón de Higgs se postuló teóricamente antes de ser confirmado experimentalmente.

Historia

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Los experimentos de Geiger-Marsden observaron que una pequeña fracción de las partículas alfa experimentaba una fuerte desviación al ser impactadas por la lámina de oro.

La idea de que toda la materia está compuesta fundamentalmente de partículas elementales data de al menos el 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 de un único tipo de partícula. [ 2 ] La palabra átomo , derivada de la palabra griega atomos que significa "indivisible", ha denotado 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 principios del siglo XX de la física nuclear y la física cuántica llevaron a las pruebas de la fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basándose en experimentos de Otto Hahn ), y de la fusión nuclear por Hans Bethe ese mismo año; ambos descubrimientos también llevaron al desarrollo de armas nucleares . Se atribuye al cálculo del desplazamiento de Lamb realizado por Bethe en 1947 el haber "abierto el camino a la era moderna de la física de partículas". [ 3 ]

A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, se descubrió una desconcertante variedad de partículas en colisiones de partículas provenientes de haces de energía cada vez mayor. Se la conocía informalmente como el zoológico de partículas . Descubrimientos importantes, como la violación de CP por James Cronin y Val Fitch, plantearon nuevas preguntas sobre el desequilibrio materia-antimateria . [ 4 ] Tras la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970, los físicos aclararon el origen del zoológico de partículas. El gran número de partículas se explicó como combinaciones de un número (relativamente) pequeño 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. [ 5 ] [ 6 ]

Modelo estándar

El estado actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica por el Modelo Estándar , que obtuvo una amplia aceptación a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de quarks . Describe las interacciones fundamentales fuertes , débiles y electromagnéticas , utilizando bosones de gauge mediadores . Las especies de bosones de gauge son ocho gluones , W −, W +y bosones Z , y el fotón . [ 7 ] El Modelo Estándar también contiene 24 fermiones fundamentales (12 partículas y sus antipartículas asociadas), que son los constituyentes de toda la materia . [ 8 ] Finalmente, el Modelo Estándar también predijo la existencia de un tipo de bosón conocido como bosón de Higgs . El 4 de julio de 2012, 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. [ 9 ]

El Modelo Estándar, tal como está formulado actualmente, tiene 61 partículas elementales. [ 10 ] Estas partículas elementales pueden combinarse para formar partículas compuestas, lo que explica los cientos de otras especies de partículas que se han descubierto desde la década de 1960. Se ha comprobado que el Modelo Estándar concuerda con casi todas las pruebas experimentales realizadas hasta la fecha. Sin embargo, la mayoría de los físicos de partículas creen que es una descripción incompleta de la naturaleza y que una teoría más fundamental aún está por descubrirse (véase Teoría del Todo ). En los últimos años, las mediciones de la masa de los neutrinos han proporcionado las primeras desviaciones experimentales del Modelo Estándar, ya que los neutrinos no tienen masa en dicho modelo. [ 11 ]

partículas subatómicas

La investigación moderna en física de partículas se centra en partículas subatómicas , incluyendo constituyentes atómicos como electrones , protones y neutrones (los protones y neutrones son partículas compuestas llamadas bariones , formadas por quarks ), que se producen mediante procesos radiactivos y de dispersión ; entre estas partículas se encuentran fotones , neutrinos y muones , así como una amplia gama de partículas exóticas . [ 12 ] Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi por completo mediante el Modelo Estándar. [ 7 ]

La dinámica de las partículas también se rige por la mecánica cuántica ; exhiben dualidad onda-partícula , mostrando un comportamiento corpuscular bajo ciertas condiciones experimentales y un comportamiento ondulatorio en otras. En términos más técnicos, se describen mediante vectores de estado cuántico en un espacio de Hilbert , 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 la comprensión actual, se presumen indivisibles y no compuestas de otras partículas. [ 10 ]

Quarks y leptones

Un diagrama de Feynman del β − desintegración , que muestra un neutrón (n, udd) convertido en un protón (p, udu). "u" y "d" son los quarks arriba y abajo , " e −" es el electrón , y " νe " es elantineutrino electrónico.

La materia ordinaria está compuesta de quarks de primera generación ( up , down ) y leptones ( electrón , neutrino electrónico ). [ 13 ] Colectivamente, los quarks y los leptones se denominan fermiones . Tienen un espín cuántico de semi-enteros (−1/2, 1/2, 3/2, etc.) y obedecen el principio de exclusión de Pauli , donde dos partículas no pueden ocupar el mismo estado cuántico . [ 14 ] Los quarks tienen una carga eléctrica elemental fraccionaria (−1/3 o 2/3) [ 15 ] y los leptones tienen una carga eléctrica entera (0 o -1). [ 16 ] Los quarks también tienen carga de color , que se etiqueta arbitrariamente sin correlación con el color real de la luz como rojo, verde y azul. [ 17 ] 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 pueden observarse de forma independiente. Esto se denomina confinamiento de color . [ 17 ]

Se conocen tres generaciones de quarks (arriba y abajo, extraño y encanto , cima y fondo ) y leptones (electrón y su neutrino, muón y su neutrino , tau y su neutrino ), con fuertes evidencias indirectas de que no existe una cuarta generación de fermiones. [ 18 ]

bosones

Los bosones son los mediadores o portadores de interacciones fundamentales, como el electromagnetismo , la interacción débil y la interacción fuerte . [ 19 ] El electromagnetismo está mediado por el fotón , el cuanto de luz . [ 20 ] : 29–30 La interacción débil está mediada por los bosones W y Z. [ 21 ] La interacción fuerte está mediada por el gluón , que puede unir quarks para formar partículas compuestas. [ 22 ] Debido al confinamiento de color mencionado anteriormente, los gluones nunca se observan de forma independiente. [ 23 ] El bosón de Higgs da masa a los bosones W y Z a través del mecanismo de Higgs [ 24 ] – se espera que el gluón y el fotón no tengan masa . [ 23 ] Todos los bosones tienen un espín cuántico entero (0 y 1) y pueden tener el mismo estado cuántico . [ 19 ]

Antipartículas y carga de color

La mayoría de las partículas mencionadas anteriormente tienen antipartículas correspondientes , que componen la antimateria . Las partículas normales tienen un número leptónico o bariónico positivo , y las antipartículas tienen estos números negativos. [ 25 ] La mayoría de las propiedades de las antipartículas y partículas correspondientes son las mismas, con algunas que se invierten; la antipartícula del electrón, el positrón, tiene una carga opuesta. Para diferenciar entre antipartículas y partículas, se añade un signo más o menos en superíndice . Por ejemplo, el electrón y el positrón se denotan como e −y e +, respectivamente. [ 26 ] Sin embargo, en el caso de que la partícula tenga una carga de 0 (igual a la de la antipartícula), la antipartícula se denota con una línea sobre el símbolo. De este modo, un neutrino electrónico es νe , mientras que su antineutrino es νe . Cuando una partícula y una antipartícula interactúan entre sí, seaniquilany se convierten en otras partículas. [ 27 ] Algunas partículas, como el fotón o el gluón, no tienen antipartículas.

Los quarks y los gluones poseen además cargas de color, lo que influye en la interacción fuerte. Las cargas de color de los quarks se denominan rojo, verde y azul (aunque la partícula en sí no tiene color físico), y en los antiquarks se denominan antirojo, antiverde y antiazul. [ 17 ] El gluón puede tener ocho cargas de color , que son el resultado de las interacciones de los quarks para formar partículas compuestas (simetría de calibre SU(3) ). [ 28 ]

Compuesto

Un protón consta de dos quarks arriba y un quark abajo, unidos entre sí por gluones . La carga de color de los quarks también es visible.

Los neutrones y protones en los núcleos atómicos son bariones : el neutrón está compuesto por dos quarks down y un quark up, y el protón por dos quarks up y un quark down. [ 29 ] Un barión está compuesto por tres quarks, y un mesón por dos quarks (uno normal y uno anti). Los bariones y 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 ligados deben tener su carga de color neutra, o "blanca", por analogía con la mezcla de los colores primarios . [ 30 ] Los hadrones más exóticos pueden tener otros tipos, disposición o número de quarks ( tetraquark , pentaquark ). [ 31 ]

Un átomo está formado por protones, neutrones y electrones. [ 32 ] Al modificar las partículas dentro de un átomo normal, se pueden formar átomos exóticos . [ 33 ] Un ejemplo sencillo sería el hidrógeno-4.1 , al que se le ha sustituido uno de sus electrones por un muón. [ 34 ]

Hipotético

El gravitón es una partícula hipotética que puede mediar la interacción gravitacional, pero no ha sido detectado ni completamente conciliado con las teorías actuales. [ 35 ] Se han propuesto muchas otras partículas hipotéticas para abordar las limitaciones del Modelo Estándar. En particular, las partículas supersimétricas buscan resolver el problema de la jerarquía , los axiones abordan el problema CP fuerte , y se proponen varias otras partículas para explicar los orígenes de la materia oscura y la energía oscura .

Laboratorios experimentales

Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, EE. UU.

Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:

Teoría

Al igual que la física teórica , la física teórica de partículas busca desarrollar modelos, marcos teóricos y herramientas matemáticas para comprender los experimentos actuales y realizar predicciones para experimentos futuros. Actualmente, se están llevando a cabo varios esfuerzos importantes e interrelacionados en el campo de la física teórica de partículas.

Una rama importante intenta comprender mejor el Modelo Estándar y sus pruebas. Los teóricos realizan predicciones cuantitativas de observables en experimentos astronómicos y de colisionadores , que, junto con mediciones experimentales, se utilizan para extraer los parámetros del Modelo Estándar con menor incertidumbre. Este trabajo explora los límites del Modelo Estándar y, por lo tanto, amplía la comprensión científica de los componentes básicos de la naturaleza. Estos esfuerzos se ven dificultados por la complejidad de calcular cantidades de alta precisión en la 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 , y se autodenominan fenomenólogos . Otros utilizan la teoría de campos reticulares y se llaman teóricos reticulares .

Otro esfuerzo importante se centra en la construcción de modelos, donde los modeladores desarrollan ideas sobre qué física podría existir 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. [ 48 ] [ 49 ] Puede implicar trabajos sobre supersimetría , alternativas al mecanismo de Higgs , dimensiones espaciales adicionales (como los modelos de Randall-Sundrum ), teoría de preones , combinaciones de estas u otras ideas. La teoría de dimensiones evanescentes es una teoría de la física de partículas que sugiere que los sistemas con mayor energía tienen un número menor de dimensiones. [ 50 ]

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 una teoría basada en cuerdas pequeñas y branas en lugar de partículas. Si la teoría tiene éxito, podría considerarse una " Teoría del Todo " o "TOE". [ 51 ]

Existen otras áreas de trabajo en la física teórica de partículas, que abarcan desde la cosmología de partículas hasta la gravedad cuántica de bucles .

Aplicaciones prácticas

En principio, toda la física (y las aplicaciones prácticas derivadas de ella) se pueden obtener del estudio de las partículas fundamentales. En la práctica, incluso si por "física de partículas" se entiende únicamente "aceleradores de partículas de alta energía", durante estas investigaciones pioneras se han desarrollado numerosas tecnologías que posteriormente encuentran amplia aplicación en la sociedad. Los aceleradores de partículas se utilizan para producir isótopos médicos para investigación y tratamiento (por ejemplo, isótopos utilizados en la tomografía por emisión de positrones [PET ]), o directamente en radioterapia de haz externo . El desarrollo de los 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 . Existen aplicaciones adicionales en medicina, seguridad nacional, industria, informática, ciencia y desarrollo de la fuerza laboral, lo que ilustra una larga y creciente lista de aplicaciones prácticas beneficiosas con contribuciones de la física de partículas. [ 52 ]

Futuro

Entre los principales esfuerzos para buscar física más allá del Modelo Estándar se incluyen el Futuro Colisionador Circular propuesto para el CERN [ 53 ] 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 de Neutrinos Subterráneos Profundos , entre otros experimentos.

Véase también

Referencias

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