Física de partículas

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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]

Diagrama de Feynman
de una desintegración
beta, proceso mediante el cual un neutrón puede convertirse en protón. En la
figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda (quark d en azul),
emite una partícula W- pasando a ser un quark (u), la partícula
emitida (W-) se desintegra en un antineutrino y un
electrón.

Contenido

1 Historia

2 Partículas
elementales

2.1 Bosones

2.2 Fermiones

3 Partículas
compuestas

3.1 Bariones

3.2 Mesones

4 Partículas
hipotéticas

4.1 Supersimetría

4.2 Otras

4.3 Clasificación por
velocidad

5 Cuasipartículas

6 Principales centros de
investigación

7 Véase también

8 Notas y
referencias

9 Enlaces externos

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Historia

Artículo principal: Historia
de la física de partículas

Primera observación de un neutrino, tras incidir sobre un
protón, en una cámara de
burbujas.

El hombre desde la antigüedad ha imaginado que el Universo en el que habita está
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 materia se convierten en quarks, electrones y neutrinos.

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Partículas
elementales

Artículos principales: Partícula
elemental y Modelo
estándar

Los 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. Después 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]

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Bosones

Nombre y carga eléctrica de los componentes de la
materia.

Artículo principal: Bosón

Los 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 más 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]

Partícula

Símbolo

Masa (en GeV/c2)

Carga
eléctrica

Espín

Interacción

Fotón

0

0

1

electromagnética

Bosón W

W±

80,4

± 1

1

débil

Bosón Z

Z0

91,187

0

1

débil

Gluón

g

0

0

1

fuerte

Las teorías matemáticas que estudian los fenómenos de estas 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.

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Fermiones

Artículo principal: Fermión

Los 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; estas partículas son
fermiones pero están compuestos de quarks que, en nuestro nivel
actual de conocimientos, si se consideran como elementales.

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]

Tipo de fermión

Nombre

Símbolo

Carga
electromagnética

Carga
débil*

Carga
de
color

Masa

Leptón

Electrón

e-

-1

-1/2

0

0,511 MeV/c²

Muón

m-

-1

-1/2

0

105,6 MeV/c²

Tauón

t-

-1

-1/2

0

1,784 GeV/c²

Neutrino
electrónico

ne

0

+1/2

0

< 50 eV/c²

Neutrino
muónico

nm

0

+1/2

0

< 0,5 MeV/c²

Neutrino
tauónico

nt

0

+1/2

0

< 70 MeV/c²

Quark

up

u

+2/3

+1/2

R/G/B

~5 MeV/c²

charm

c

+2/3

+1/2

R/G/B

~1.5 GeV/c²

top

t

+2/3

+1/2

R/G/B

>30 GeV/c²

down

d

-1/3

-1/2

R/G/B

~10 MeV/c²

strange

s

-1/3

-1/2

R/G/B

~100 MeV/c²

bottom

b

-1/3

-1/2

R/G/B

~4,7 GeV/c²

Las partículas de la tabla solo tienen carga débil si son levógiras o,
para las antipartículas, si son dextrógiras.

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.

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Partículas
compuestas

Artículos principales: Partícula
compuesta y Hadrón

Los físicos de partículas denominan como hadrones a las partículas que se
componen de otras más 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.

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Bariones

Artículo principal: Barión

Estructura de un protón.

Los 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
rápidamente 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]

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Mesones

Artículo principal: Mesón

Los 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 estas partículas, es un
número entero.[15]
Se conoce también que el mesón posee interacciones fuertes, débiles y
electromagnéticas.[13]

En este 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 ellos.

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Partículas
hipotéticas

Artículo principal: Partícula
hipotética

Entre las principales partículas conjeturadas teóricamente y que aun no han
sido confirmadas por ningún experimento hasta el 2008, se encuentran:

El bosón de Higgs es la
única partícula del modelo estándar no
observada.[16] En la formulación del modelo
electrodébil, la partícula que podría explicar la diferencia de masas de
los bosones W y Z y el fotón; se postula que para poder romper
espontáneamente la simetría de un campo de
Yang-Mills se necesita una partícula, ahora conocida como bosón de Higgs.
Esta partícula en un campo de Higgs daría
las respuestas a esta interrogante.[17] Los científicos esperan descubrir al
bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC
en inglés), un acelerador
de partículas que se espera entre en funcionamiento para el otoño de 2009,
en el CERN.[18]

El gravitón es el hipotético
bosón para la interacción gravitatoria que ha sido propuesto en las teorías de
la gravedad cuántica.
No suele formar parte del modelo estándar
debido a que no se ha encontrado experimentalmente. Se teoriza que
interaccionaria con leptones y quarks y que no tendría masa.[19]

Véase también: axión, graviescalar,
gravifotón,
neutrino
estéril, bosón X y bosón
Y

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Supersimetría

La teoría de supersimetría plantea
la existencia de partículas supercompañeras de las actuales partículas
existentes,[20]
así entre las más destacadas tenemos:

El neutralino es la mejor
candidata, en el modelo estándar, para partícula de materia oscura. En la
teoría de supersimetría, el
neutralino es una partícula neutra, estable y super ligera,[21] que no tiene una pareja simétrica en
las partículas ordinarias.[22]

Los sleptones y los squarks son los compañeros
supersimétricos de los fermiones del modelo estándar.[20]

El fotino,
el wino, el zino, el gravitino y
el gluino son
los partículas supercompañeras
de los bosones.[20]

[editar]
Otras

Un WIMP (del
inglés: partícula masiva que interactúa débilmente) es una de muchas
partículas propuestas para explicar la materia oscura (como el
neutralino o el axión).

El pomerón,
usado en la teoría
Regge para explicar el fenómeno de la dispersión
elástica de los hadrones y la posición de los polos
de Regge.

El skirmión,
un solitón
topológico para el campo del pión que se usa para modelar las
propiedades a baja energía del nucleón.

El bosón
de goldstone es una excitación sin masa de un campo cuya simetría
ha sido rota espontáneamente. Los piones son casi bosones de
goldstone por la ruptura de la simetría del isospín de la quiralidad
en la cromodinámica
cuántica (no lo es porque tiene masa).

El goldstino
(fermión) se
produce entonces por la ruptura espontánea de la supersimetría por
el bosón de goldstone.

El instantón
es una configuración de campo que es un mínimo local de una acción euclídea.
Se usan en cálculos no perturbativos del efecto túnel.

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Clasificación por
velocidad

De acuerdo con su masa y rango de velocidad alcanzable las partículas
hipotéticas (y las reales) pueden clasificarse en:

Un tardión viaja más lento que
la luz y tiene una masa en reposo no nula. Todas las partículas con masa
pertenecen a esta categoría.

Un luxón viaja exactamente a la
velocidad de la luz, y no tiene masa. Todas las partículas bosónicas sin masa
pertenecen a esta categoría, usualmente se acepta que los neutrinos también
pertenecen a esta categoría.

Un taquión es una partícula
hipotética que viaja más rápido que la luz, y cuya masa debe de ser imaginaria. No se han
detectado ejemplos de este tipo de partícula.

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Cuasipartículas

Artículo principal: Cuasipartícula

Las 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:

Los fonones,
modos vibratorios en una estructura
cristalina.

Los excitones, que son la
superposición de un electrón y un hueco.

Los plasmones, conjunto de
excitaciones coherentes de un plasma.

Los polaritones
son la mezcla de un fotón y otra de las
cuasipartículas de ésta lista.

Los polarones, que son
cuasipartículas cargadas en movimiento que están rodeadas de iones en un
material.

Los magnones
son excitaciones coherentes de los espines de los electrones en un material.

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Principales
centros de investigación

En la física de partículas, los principales laboratorios interacionales
son:

CERN, localizado entre la
frontera Franco-Suiza cerca de la ciudad suiza
de Ginebra.
Su principal proyecto actual es el Large Hadron
Collider o LHC, terminada su construccion y en funcionamiento. Éste será
el más grande colisionador de partículas del mundo. En el CERN también podemos
encontrar al LEP, colisionador electrón
positrón, y al Superproton
sincrotrón.

Fermilab, localizado cerca de
Chicago en Estados Unidos, cuenta
con el Tevatrón que puede
colisionar protones y antiprotones y es el segundo acelerador de partículas
más energético del mundo después del LHC.

Laboratorio
Nacional Brookhaven, localizado en Long Island (Estados Unidos), cuenta
con un acelerador relativista de iones pesados que puede colisionar iones
pesados como el oro y
protones polarizados. Fue el primer acelerador de iones pesados y es el único
que puede acelerar protones polarizados.

DESY,
localizado en Hamburgo (Alemania), cuenta
con el HERA
que puede acelerar electrones, positrones y protones.

KEK, localizado
en Tsukuba (Japón), es la organización japonesa de investigación de altas
energías. Aquí se han producido muchos experimentos interesantes como el experimento
de oscilación del neutrino y el experimento para medir la violación de simetría CP en el
mesón B.

SLAC,
localizado en Palo Alto (Estados Unidos), cuenta con el PEP-II
que puede colisionar electrones y positrones.

Éstos son los principales laboratorios pero existen muchos más.

[editar]
Véase también

Anexo:Tabla
de partículas

Mecánica cuántica

Teoría del todo

Teoría de
cuerdas

Modelo
estándar de física de partículas

Física
de Astropartículas

[editar]
Notas y referencias

↑ «Campos y Partículas» (2000). Consultado el 27/02/2008.

↑
Enciclopedia Encarta (2007). «Partículas elementales». Consultado el 28/02/2008.

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Consultado el 13/03/2008.

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b
c
Santiago Cárdenas Martín. «Modelo estándar de la Física de Partículas». Consultado el
08/03/2008.

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David Darling. «neutralino» (en inglés).
Consultado el 08/03/2008.

↑ New
Scientist (1995). «Flashes from the beginning of the Universe» (en inglés). Consultado el 08/03/2008.

[editar]
Enlaces externos

Wikimedia Commons
alberga contenido multimedia sobre Física de
partículas.Commons

Energía nuclear: el poder del átomo

La aventura de las partículas

Particle
Data Group (inglés)

CERN
(inglés)

Fermilab (inglés)

Brookhaven National Laboratory (inglés)

DESY (inglés)

KEK (inglés)

SLAC (inglés)

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