La física de partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos.[1] Las partículas fundamentales se subdividen en bosones (partículas de espín entero como por ejemplo 0, 1, 2...), que son las responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza, y fermiones (partículas de espín semientero como por ejemplo 1/2 ó 3/2). Se conoce a esta rama también como física de altas energías debido a que muchas de las partículas se las puede ver solo en grandes colisiones provocadas en los aceleradores de partículas.[2] Conocimientos adicionales recomendados
HistoriaEl hombre desde la antigüedad ha imaginado que el universo en el que habita esta compuesto de varios elementos; por ejemplo, Empédocles en el siglo V antes de nuestra era postuló que todo lo existente se podría obtener de la mezcla de agua, tierra, fuego y aire.[3] Podríamos mencionar a Demócrito como el primero en indicar la existencia de átomos, como una especie de elementos indivisibles. Los avances científicos de principios del siglo XX por parte de Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros dieron lugar al nacimiento de la mecánica cuántica. El efecto fotoeléctrico mostraba la naturaleza cuántica de la luz para explicar su interacción con la materia, denominándose fotón al "cuanto" de luz. Actualmente se conocen otras tres partículas que interactúan con la materia, llamadas bosones. Para comprender la estructura de la materia aparecieron diferentes modelos atómicos, siendo, hacia 1930, los electrones, protones y neutrones los constituyentes básicos de la materia. Hacia 1960, gracias a Murray Gell-Mann, se predicen constituyentes más elementales para los protones y neutrones, los quarks, por lo que los elementos básicos constituyentes de la matería se convierten en quarks, electrones y neutrinos. Partículas elementalesLos físicos de partículas se han esforzado desde un principio por clasificar las partículas conocidas y por describir toda la materia y sus interacciones. A lo largo de la historia de la física han existido muchas partículas que en su momento se han definido como indivisibles, tales como los protones y neutrones, que más adelante se ha demostrado que no lo son. Despues de diferentes teorías atómicas y nucleares, en la actualidad se usa el llamado modelo estándar para describir la materia que constituye el universo y sus interacciones. De acuerdo al modelo estándar existen seis tipos de quarks, seis tipos de leptones y cuatro tipos de bosones. Estas partículas están divididas en dos grandes categorías por el principio de exclusión de Pauli: las que no están sujetas a este principio son los bosones y los que sí lo están se las llama fermiones.[4] BosonesLos bosones son partículas que no cumplen el principio de exclusión de Pauli, por lo que dos partículas pueden ocupar el mismo estado cuántico. A temperaturas muy bajas tienden a ocupar el nivel energético mas bajo, ocupando todas las partículas el mismo estado cuántico.[5] En 1924, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein postularon un modelo de estadística, conocida ahora como estadística de Bose-Einstein, para moléculas a temperaturas muy cercanas al cero absoluto; ésta misma estadística resulta que puede aplicarse también a este tipo de partículas.[6] Según el modelo estándar, los bosones son cuatro:[7]
Las teorías matemáticas que estudian los fenómenos de éstas partículas son en el caso de la interacción fuerte, de los gluones, la cromodinámica cuántica y en el caso de la interacción electrodébil, de fotones y bosones W y Z, la electrodinámica cuántica. FermionesLos fermiones son partículas con espín, o momento angular intrínseco, fraccionario y que sí están sujetos al principio de exclusión de Pauli, o sea que dos partículas no pueden estar en un mismo estado cuántico al mismo momento. Su distribución está regida por la estadística de Fermi-Dirac, de ahí su nombre.[8] Los fermiones son básicamente partículas de materia, pero a diferencia de los bosones, no todos los fermiones son partículas elementales. El caso más claro es el de los protones y neutrones; éstas partículas son fermiones pero están compuestos de quarks que actualmente si se consideran como elementales[cita requerida]. Los fermiones se dividen en dos grupos: los quarks y los leptones. Esta diferencia se aplica debido a que los leptones pueden existir aislados, a diferencia de los quarks que se encuentran siempre en presencia de otros quarks.[9] Los grupos de quarks no pueden tener carga de color debido a que los gluones que los unen poseen carga de color. Las propiedades básicas de éstas partículas se las encuentra aquí:[7]
Las partículas se agrupan en generaciones. Existen tres generaciones: la primera está compuesta por el electrón, su neutrino y los quarks up y down. La materia ordinaria está compuesta por partículas de esta primera generación. Las partículas de otras generaciones se desintegran en partículas de las generaciones inferiores. Partículas compuestasLos físicos de partículas denominan como hadrones a las partículas que se componen de otras mas elementales. Los hadrones están compuestos de quarks, de antiquarks y de gluones. La carga eléctrica de los hadrones es un número entero por lo que la suma de la carga de los quarks que los componen debe ser un entero.[10] La interacción fuerte es la que predomina en los hadrones, aunque también se manifiesta la interacción electromagnética y la débil.[11] Las partículas con carga de color interactúan mediante gluones; los quarks y los gluones al tener carga de color están confinados a permanecer unidos en una partícula con carga de color neutra.[12] La formulación teórica de éstas partículas la realizaron simultánea e independientemente Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964 en el llamado modelo de quarks. Este modelo ha recibido numerosas confirmaciones experimentales desde entonces. Los hadrones se subdividen en dos clases de partículas, los bariones y los mesones. BarionesLos bariones son partículas que contienen tres quarks, algunos gluones y algunos antiquarks. Los bariones más conocidos son los nucleones, es decir los protones y neutrones, además de otras partículas más masivas conocidas como hiperones.[13] Dentro de los bariones existe una intensa interacción entre los quarks a través de los gluones, que transporta la interacción fuerte. Como los gluones tienen carga de color, en los bariones las partículas que lo contienen cambian rapidamente de carga de color, pero el conjunto del barión permanece con carga de color neutra.[14] Los bariones son también fermiones por lo que el valor de su espín es 1/2, 3/2,... . Como todas las partículas, los bariones tienen su partícula de antimateria llamada antibarión que se forman con la unión de tres antiquarks.[14] Sin contar con los nucleones, la mayoría de bariones son inestables.[13] MesonesLos mesones son partículas conformadas por un quark, un antiquark y la partícula que las une, el gluón. Todos los mesones son inestables; pese a ello pueden encontrarse aislados debido a que las cargas de color del quark y del antiquark son opuestas, obteniendo un mesón con carga de color neutra. Los mesones son además bosones ya que la suma de los espines, de sus quark-antiquark más la contribución del movimiento de éstas partículas, es un número entero.[15] Se conoce también que el mesón posee interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas.[13] En éste grupo se incluye el pión, el kaón, la J/ψ, y muchas otras. Puede que existan también mesones exóticos aunque no existe evidencia experimental de ellas. Partículas hipotéticasEntre las principales partículas conjeturadas teóricamente y que aun no han sido confirmadas por ningún experimento hasta el 2008, se encuentran:
Véase también: axión, graviescalar, gravifotón, neutrino estéril, bosón X, y bosón Y
SupersimetríaLa teoría de supersimetría plantea la existencia de partículas supercompañeras de las actuales partículas existentes,[20] así entre las más destacadas tenemos:
Otras
Clasificación por velocidad
CuasipartículasLas ecuaciones de campo de la física de la materia condensada son muy similares a las de la física de partículas. Por eso, mucha de la teoría de la física de partículas se puede aplicar a la física de la materia condensada, asignando a cada campo o excitación de la misma un modelo que incluye "cuasipartículas". Se incluyen:
Principales centros de investigaciónEn la física de partículas, los principales laboratorios interacionales son:
Éstos son los principales laboratorios pero existen muchos más. Véase también
Notas y referencias
Enlaces externos
Categoría: Física de partículas |
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