Transcript Partículas Elementales - Página web de Lorenzo

Ciencias para el Mundo Contemporáneo
1º Bachillerato
Alejandro Soriano
Antonio Gámez
El modelo estándar una teoría que describe las relaciones interacciones
fundamentales conocidas entre partículas elementales que componen
toda la materia. Se desarrolló entre 1970 y 1973 . El modelo estándar no
alcanza a ser una teoría completa ya que no incluye la gravedad, la cuarta
interacción fundamental conocida, y debido también al número elevado
de parámetros numéricos que se deben poner a mano en la teoría.
Hay tres tipos de partículas:
•Partículas de materia
• Las partículas mediadoras de las fuerzas
•El bosón de Higgs (partícula hipotética)
•Son los componentes más fundamentales de la materia.
•Hay dos tipos de partículas elementales:
•Quarks: Hay seis tipos de quarks con sus respectivos
antiquarks:
•Up, Down; Strange, Charm; Top, Bottom.
•Up--, Down--; Strange--, Charm--; Top--, Bottom--.
•Leptones: Hay seis tipos de leptones con sus respectivos
antileptones:
•Electrón, electrón-neutrino; Muón, Muón-neutrino; Tau,
Tau-neutrino.
•Positrón, electrón-antineutrino; antimuón, Muónantineutrino; antitau, Tau-antineutrino.
•Los quarks son los constituyentes fundamentales de la materia y las
partículas más pequeñas que se han logrado identificar. Forman, junto a
los leptones, la materia visible.
•Varias especies de quarks se combinan de manera específica para
formar partículas tales como protones y neutrones.
•Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con
las cuatro fuerzas fundamentales.
•Son partículas de espín 1/2 (por lo que son fermiones)
•Sus cargas eléctricas son de +2/3 eV y -1/3 eV.
•Tienen Carga de Sabor y Color.
•Según nuevas hipótesis, los quarks podrían estar compuestos de
subestructuras. Esto significa que las partículas elementales son, en
realidad, partículas compuestas; aún no se ha descubierto tal estructura.
Las llamadas subestructuras de los quarks se denominan preones.
•Los leptones son los constituyentes fundamentales de la materia y las
partículas más pequeñas que se han logrado identificar. Forman, junto a
los quarks, la materia visible.
•Varias especies de quarks se combinan de manera específica para
formar partículas tales como protones y neutrones.
•Los leptones no interactúan con la interacción nuclear fuerte.
•Son partículas de espín 1/2 (por lo que son fermiones)
•Sus cargas eléctricas son de +1 eV y -1 eV (y 0 eV para los neutrinos)
•Tienen Carga de Sabor.
•Los sabores conocidos son: el electrón, el muón y el leptón tau.
•Cada sabor está representado por un par de partículas llamadas doblete
débil. Uno es una partícula cargada masiva que lleva el mismo nombre
que su sabor (como el electrón). La otra es una partícula neutra casi sin
masa llamada neutrino (como el electrón-neutrino).
Para ponerlo más claro: el spin es el momento angular interno de una
partícula, expresado en unidades de h, donde h = 1.055 x 10^-34 (J/s)
•Los fermiones son las partículas que tienen un momento angular intrínseco
que, medido en unidades de (spin),es igual a un número impar de
semienteros (1/2, 3/2, ...).
•Como consecuencia de este momento angular semientero, los fermiones
obedecen el principio de exclusión de Pauli.
•Las partículas materiales fundamentales (quarks y leptones, así como
también la mayoría de las partículas compuestas, tales como protones y
neutrones) son fermiones.
•Por lo tanto, debido al principio de exclusión de Pauli, estas partículas no
pueden coexistir en una misma posición.
•Los bariones siempre contienen tres quarks y pueden también contener
algunos gluones y pares quark-antiquark. Un protón = uud y un neutrón =
udd.
•Cada quark dentro de un barión intercambia rápidamente cargas de color
con los otros quarks en ese barión. Sin embargo, el barión (al igual que
todos los hadrones) no tiene carga neta de color porque las diferentes
cargas de color se cancelan entre sí.
•Los valores posibles del spin de los bariones son 1/2, 3/2, ..., es decir son
fermiones.
•Por cada barión existe un barión de antimateria (antibarión) constituido
por los 3 antiquarks correspondientes.
•Algunos ejemplos son:
•Los bariones delta están compuestos por quarks arriba y abajo, de
tal manera que el spin total es 3/2.
•Los bariones lambda están compuestos por un quark arriba, uno
abajo y un quark extraño.
•Los bariones xi están compuestos de dos quarks extraños y un
quark arriba o abajo.
•El barión omega negativo está compuesto de tres quarks extraños.
•Un bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales
de la naturaleza. Se caracterizan por:
•Tener un momento angular intrínseco o spín entero (0,1,2,...).
•No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la
estadística de Bose-Einstein, esto hace que presenten un
fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein*
•La funciones de onda** cuántica que describe sistemas de
bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.
*El condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la
materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La
propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las
partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado
estado fundamental.
**Una función de onda (Ψ), es una forma de describir el estado físico de
un sistema de partículas. Usualmente es una función compleja y de
cuadrado integrable de las coordenadas espaciales de cada una de las
partículas.
•Un mesón es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un
hadrón con un spín entero.
•Hay dos tipos de mesones según su carga de sabor: Con carga y sin carga
Pión cargado
Kaón cargado
Kaón corto
Eta
Rho cargado
Omega neutra
D cargado
D extraño
B neutro
B encantado
J/Psi
Pión neutro
Kaón neutro
Kaón largo
Eta prima
Rho neutro
Phi
D neutro
B cargado
B extraño
Upsilon
También, otros tipos de bosones son:
•El núcleo de deuterio.
•Átomos de helio-4 o partículas alfa
•Fotones
•Fonones
•Bosones W y Z
•Gluones
•Bosón X
•Bosón de Higgs (hipotético)
•Las interacciones fundamentales se denominan a las cuatro
interacciones fundamentales existentes en nuestro universo.
Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las
partículas materiales, fermiones, son los bosones.
•Existen cuatro tipos de interacciones fundamentales:
• Interacción nuclear fuerte
• Interacción nuclear débil
• Interacción electromagnética
• Interacción gravitatoria.
•La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro "fuerzas" o interacciones
fundamentales que el modelo estándar de la física establece para explicar las
interacciones entre las partículas conocidas.
•Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón)
que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre
los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los
neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los
protones.
•Los efectos de esta fuerza de interacción sólo se aprecian a distancias muy pequeñas
(menores a 1 fm), del tamaño de los núcleos atómicos y no se perciben a distancias
mayores a 1 fm. A esta característica se le conoce como ser de corto alcance, en
contraposición con la fuerza gravitatoria o la fuerza electromagnética que son de largo
alcance (realmente el alcance de estas dos es infinito).
•A pesar de que los hadrones tienen carga de color neutra, los quarks de distintos
hadrones pueden atraerse con mucha fuerza, en el caso de los nucleones incluso
mayor que la electromagnética. A esta fuerza de naturaleza fuerte entre distintos
hadrones se le llama residual, y es la responsable de que el núcleo atómico sea estable
a pesar de la gran cantidad de cargas positivas que posee.
•La mayoría de núcleos atómicos por debajo de un cierto peso atómico y que además
presentan un equilibrio entre el número de neutrones y el número de protones
(número atómico) son estables. Sin embargo, sabemos que los neutrones aislados y los
núcleos con demasiados neutrones (o demasiados protones) son inestables.
La explicación de esta estabilidad de los núcleos reside en los piones. Esto hace que
continuamente los neutrones del núcleo se transformen en protones, y algunos
protones en neutrones.
•Esto hace que la reacción apenas tenga tiempo de acontecer, lo que explica que los
neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estables que los neutrones
aislados. Si el número de protones y neutrones es desequilibrado, se abre la
posibilidad de que en cada momento haya más neutrones y sea más fácil la ocurrencia
de la reacción
•Los quarks y los gluones son partículas con
carga de color. Del mismo modo que las
partículas eléctricamente cargadas interactúan
intercambiando fotones, las partículas con
carga de color intercambian gluones en las
interacciones fuertes. Al hacerlo, estas
partículas con carga de color quedan a menudo
"pegadas" entre sí.
•Dos o más quarks, cercanos entre sí,
intercambian rápidamente gluones, creando
un "campo de fuerza de color" muy fuerte que
liga entre sí los quarks. Existen tres cargas de
color, y las correspondientes tres cargas de
anticolor (color complementario). Los quarks
cambian constantemente su carga de color
mientras intercambian gluones con otros
quarks.
•Cada quark tiene una de las tres cargas de
color; y cada antiquark tiene una de las tres
cargas de color complementarias.
•La carga de color de un quark puede
tener tres valores diferentes:
• Rojo
• Verde
• Azul
•Un antiquark puede tener tres
"anticolores"
• Antirrojo
• Antiverde
• Antiazul
[A veces representados por cian,
magenta y amarillo]
•El gluón es el bosón portador de la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro
fuerzas fundamentales.
•También puede decirse que los gluones son combinaciones de un par
color/anticolor: por ejemplo, rojo/antiverde, y eso constituye su carga de color.
•No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color, por lo que además de
transmitir la interacción fuerte también la sufre. Los gluones transportan pares
color/anticolor (no es necesario que sea el mismo color; por ejemplo gluones
rojo/antiazul son legítimos).
•Si bien hay 9 combinaciones posibles de pares color/anticolor, debido a
consideraciones de simetría es eliminada una de estas combinaciones. Un gluón
puede transportar efectivamente una de las ocho posibles combinaciones
color/anticolor.
La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear
débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo
estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y
Z, que son muy masivos.
El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo
atómico) y la radiactividad.
La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor
que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la
gravitación a cortas distancias.
Los bosones W y Z son las partículas mediadoras de la interacción nuclear débil,
una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son tres tipos de
partículas fundamentales muy masivas que se encargan en general de cambiar el
sabor de otras partículas, los leptones y los quarks.
•Cuando un leptón o un quark parece convertirse en uno más ligero (se desintegra o
decae), se dice que cambian de sabor. Todos los procesos de cambio de sabor se deben
a la interacción débil, y en todas ellas interviene uno de los tres tipos de bosones
intermedios.
•Un neutrón no es una partícula elemental, sino que está hecho de 2 quarks abajo y un
quark arriba (y además de gluones), y se convierte en protón porque uno de los quarks
abajo cambia su sabor a arriba.
•Pero el quark abajo no es el que emite el electrón y el neutrino. De hecho, el quark
abajo solo se convierte en el quark arriba y en un bosón W negativo (para conservar la
carga eléctrica del sistema). Es el bosón W el que casi instantáneamente después
decae en los dos leptones.
•El bosón Z debería intervenir en los procesos que no implican cambio en la carga
eléctrica de la partícula afectada (pero sí cambio de sabor), pero no es el caso. Éste
bosón solo actúa como portador de momento lineal: cuando dos partículas se
intercambian un bosón Z una le está pasando momento a la otra.
•Éste intercambio se llama interacción de corriente neutra, ninguna de las partículas
afectadas cambia de sabor y su estudio requiere el uso de los aceleradores de
partículas más energéticos del mundo.
La desintegración beta, emisión beta o decaimiento beta es un proceso
mediante el cual un nucleído inestable emite una partícula beta para optimizar la
relación N/Z (neutrones/protones) del núcleo. La partícula beta puede ser un
electrón, escribiéndose β-, o un positrón, β+. En la emisión beta, varían el número
de protones y el de neutrones del núcleo resultante, mientras que la suma de
ambos (el número másico) permanece constante.
Desintegración β-
Un neutrón da lugar a un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:
Este proceso ocurre espontáneamente para neutrones libres, con un tiempo de
vida media de 614,6 s.
Desintegración β+
Un protón da lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico:
Esta reacción está prohibida para protones
•El sabor es un número cuántico de las partículas elementales relacionado con su
interacción débil. En el modelo electrodébil, esta simetría es figurada y los procesos
de cambio de sabor existen. En cromodinámica cuántica, por otro lado, el sabor es
una simetría global.
•Si se tienen dos o más partículas, que tengan interacciones idénticas, se pueden
intercambiar sin afectar sus propiedades físicas. Cualquier combinación lineal
(compleja) de estas dos partículas poseen las mismas propiedades físicas, mientras
se mantenga la ortogonalidad o perpendicularidad entre ellas. En otras palabras, la
teoría posee transformaciones de simetría tales como
donde u y d son
dos campos y M es cualquier matriz unitaria 2X2 con un determinante unitario.
•Ésta simetría es global para las interacciones fuertes y figurada (gauged) para las
interacciones débiles.
•El termino "sabor" fue acuñado para su uso en el modelo de quarks de los
hadrones en 1968. Este nombre para el conjunto de números cuánticos que
relacionan isospín, hipercarga y extrañez se dice que se encontró camino a un
almuerzo por Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch cuando pasaban por una tienda
de helados de Baskin Robbins y vieron un anuncio de sus 31 sabores.
•El tratamiento que la física cuántica hace del electromagnetismo se conoce con el
nombre de electrodinámica cuántica o QED. En esta teoría el campo está asociado a
una partícula sin masa denominada fotón, cuyas interacciones con las partículas
cargadas son las causantes de todos los fenómenos del electromagnetismo.
•El electromagnetismo se debe a un tipo de bosón llamados fotón.
La electrodinámica cuántica es una descripción detallada de la interacción entre
fotones y partículas cargadas de tipo fermiónico. la luz viaja sobre todos los caminos
permitidos, y su interferencia determina los frentes de onda que se propagan de
acuerdo con el principio de Fermat*.
•El observador detecta simplemente el resultado matemático de la superposición de
todas las ondas consideradas a lo largo de integrales de línea. Una diferencia es que en
la electrodinámica la velocidad efectiva de un fotón puede superar la velocidad de la
luz en promedio.
*El trayecto seguido por la luz al propagarse de un punto a otro es tal que el tiempo empleado en recorrerlo es
estacionario respecto a posibles variaciones de la trayectoria
Esto quiere decir que, si se expresa el tiempo "t" en función de un parámetro "s" (el espacio recorrido), el
trayecto recorrido por la luz será aquel en que dt/ds= 0, es decir, t será un mínimo, un máximo o un punto de
inflexión de la curva que representa t en función de s. La característica importante, como dice el enunciado, es
que los trayectos próximos al verdadero requieren tiempos aproximadamente iguales (esto es forzosamente
cierto si t(s) es una función continua y dt/ds= 0).
•El fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del
fenómeno electromagnético.
•Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética,
incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz
infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.
•El fotón tiene una masa invariante cero, y viaja en el vacío con una velocidad
constante c.
• Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como
ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en
fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por
interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una
partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de
energía, que viene dada:
•Además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de
movimiento o momento lineal, y tienen una polarización.
•El fotón no tiene masa, tampoco posee carga eléctrica y no se desintegra
espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados posibles de
polarización que pueden describirse mediante tres parámetros continuos: las
componentes de su vector de onda, que determinan su longitud de onda y su
dirección de propagación. El fotón es el bosón de gauge de la interacción
electromagnética, y por tanto todos los otros números cuánticos —como el
número leptónico, el número bariónico, o la extrañeza— son exactamente
cero
•Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se
acelera una partícula con carga eléctrica, durante una transición molecular,
atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una
partícula con su antipartícula.
•Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal que se
corresponden con los ya mencionados: por ejemplo, en la producción de pares
partícula-antipartícula o en las transiciones moleculares, atómicas o nucleares
a un nivel de energía más alto.
•En el espacio vacío, los fotones se mueven a la velocidad de la luz c, y su
energía E y momento lineal p están relacionados mediante la expresión E = cp,
donde p es el módulo del momento lineal.
•Un fotón real puede interactuar como una partícula puntual, o como una
colección de quarks y gluones, esto es, como un hadrón.
•La gravedad, denominada también fuerza gravitatoria, fuerza de gravedad,
interacción gravitatoria o gravitación, es la fuerza teórica de atracción que
experimentan entre sí los objetos con masa.
•La interacción gravitatoria es una de las cuatro. A diferencia de las fuerzas
nucleares y a semejanza del electromagnetismo, actúa a grandes distancias. Sin
embargo, al contrario que el electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de
tipo atractiva aunque existen casos particulares en que las geodésicas temporales
pueden expandirse en ciertas regiones del espacio-tiempo, lo cual hace aparecer
a la gravedad como una fuerza repulsiva, por ejemplo la energía oscura. Este es el
motivo de que la gravedad sea la fuerza más importante a la hora de explicar los
movimientos celestes.
Es una partícula elemental hipotética de tipo bosónico que sería la transmisora de la
interacción gravitatoria en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica. De
acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio, el gravitón debe ser un bosón de
espín par (2 en este caso), ya que está asociado a un campo clásico tensorial de
segundo orden. En cuanto a la masa del gravitón las mediciones experimentales dan
una cota superior del orden de m= 1,6 x10-66 g, aunque podría ser exactamente cero.
La detección del gravitón experimental es una tarea bastante problemática. Estas
partículas portarían muy poca energía, por lo tanto la detección sería muy difícil por
los débiles efectos que ocasionarían. La única forma de detectarlos sería buscar los
casos en que el movimiento o la energía de un cuerpo cambiase en una forma que es
distinta de la prevista por la Teoría General de la Relatividad, pero uno de los
principios básicos de la gravedad cuántica sería que deberían más o menos coincidir
con estas predicciones relativistas.
•El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia
es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula
del modelo estándar que no ha sido observada hasta el momento, pero desempeña
un rol importante en la explicación del origen de la masa de otras partículas
elementales, en particular la diferencia entre el fotón (sin masa) y los bosones W y
Z (relativamente pesados).
•Las partículas elementales con masa y la diferencia entre la interacción
electromagnética (causada por los fotones) y la fuerza débil (causada por los
bosones W y Z) son críticos en muchos aspectos de la estructura microscópica (y
así macroscópica) de la materia.
•Con esto, si la partícula existe, el bosón de Higgs tendría un enorme efecto en la
física y el mundo de hoy.
•El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider o LHC,
siglas por las que es generalmente conocido) es un acelerador de partículas (o
acelerador y colisionador de partículas) ubicado en la actualmente denominada
Organización Europea para la Investigación Nuclear (la sigla es la del antiguo
nombre en francés de tal institución: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,
CERN), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. El LHC se diseñó para
colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones de 7 TeV de energía,
siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el
cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su
ruptura a niveles de energía altos.
•Los protones son acelerados a velocidades del 99% de la velocidad de la luz (c) y
chocan entre sí en direcciones diametralmente opuestas produciendo altísimas
energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos
ocurridos durante o inmediatamente después del big bang. El LHC se convertirá en
el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Más de 2000 físicos
de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su
construcción. Hoy en día el colisionador se encuentra enfriándose hasta que
alcance su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (2 grados por encima del
cero absoluto o −271,25 °C).
•La energía oscura es una forma hipotética de materia que estaría presente en todo el
espacio, produciendo una presión negativa y que tiende a incrementar la aceleración de
la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Asumir la
existencia de la energía oscura es la manera más popular de explicar las observaciones
recientes en las que el Universo parece estar expandiéndose con una tasa de aceleración
positiva. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura actualmente aporta
casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.
•Se denomina materia oscura a la materia hipotética de composición desconocida que
no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada
directamente con los medios técnicos actuales pero cuya existencia puede inferirse a
partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las
estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas.