Física de partícules

Archiu:Institute of nuclear and particle physics 00048 REP SDR-65 (0666).jpg

Física de partícules

Archiu:Beta decay artistic.svg

Diagrama de Feynman d'una desintegració beta, procés per mig del qual un neutró pot convertir-se en protón. En la figura, un dels tres quarks del neutró de l'esquerra (quark d en blava) emet una partícula W⁻, passant a ser un quark (o); la partícula emesa (W⁻) es desintegra en un antineutrino i un electró.

La física de partícules és la branca de la física que estudia els components elementals de la matèria i les interaccions entre ells. Es coneix a esta branca també com a física d'altes energies, degut a que a moltes d'estes partículas solament se'ls pot vore en grans colisions provocades en els acceleradors de partícules.

En l'actualitat, les partícules elementals es classifiquen seguint el cridat model estàndar en dos grans grups: bosones i fermiones. Els bosones tenen espin sancer (0, 1 o 2) i són les partícules que interactuen en la matèria, mentres que els fermiones tenen espin semientero (1/2 o 3/2) i són les partícules constituents de la matèria. En el model estàndar s'explica cóm les interaccions fonamentals en forma de partícules (bosones) interactuen en les partícules de matèria (fermiones). Aixina, l'electromagnetisme té la seua partícula anomenada fotó, l'interacció nuclear forta té al gluón, l'interacció nuclear dèbil als bosones W i Z i la gravetat a una partícula hipotètica cridada gravitón. Entre els fermiones hi ha més varietat; es troben dos tipos: els leptones i els quarks. En conjunt, el model estàndar conté 24 partícules fonamentals que constituïxen la matèria (12 parells de partícules i els seus corresponents antipartículas) junt en tres famílies de bosones de gauge responsables de transportar les interaccions.

Els principals centres d'estudi sobre partícules són el Laboratori Nacional Fermi o Fermilab, en Estats Units i el Centre Europeu per a l'Investigació Nuclear o CERN, en la frontera entre Suïssa i França. En estos laboratoris lo que es conseguix és obtindre energies similars a les que es creu que varen existir en el Big Bang i aixina s'intenta tindre cada volta més proves del orige de l'univers.

Història

Artícul principal → Història de la física de partícules.

Archiu:First neutrino observation.jpg

Primera observació d'un neutrino, despuix d'incidir sobre un protón, en una cámara.

El ser humà, des de l'antiguetat, ha imaginat que l'Univers en el que habita està compost de varis elements; per eixemple, Empédocles en el V va postular que tot lo existent es podria obtindre de la mescla d'aigua, terra, fòc i aire. Podríem mencionar a Demócrito com el primer en indicar l'existència d'àtoms, com una espècie d'elements indivisibles.

Els alvanços científics de principis de el XX per part de Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr i uns atres varen donar lloc al naiximent de la mecànica quàntica. l'efecte fotoeléctrico mostrava la naturalea quàntica de la llum per a explicar la seua interacció en la matèria, denominant-se fotó al «quant» de llum. Actualment es coneixen atres tres partícules que interactuen en la matèria, cridades bosones. Per a explicar l'estructura de la matèria varen aparéixer diferents models atòmics, sent, cap a 1930, els electrons, protones i neutrons els constituents bàsics de la matèria. Cap a 1960, gràcies a Murray Gell-Mann, es prediuen constituents més elementals per als protones i neutrons, els quarks, per lo que els elements bàsics constituents de la matèria es convertixen en quarks, electrons i neutrinos.

Partícules elementals

Artícul principal → Partícula elemental.

Els físics de partícules s'han esforçat des d'un principi per classificar les partícules conegudes i per descriure tota la matèria i les seues interaccions. A lo llarc de la història de la física han existit moltes partícules que en el seu moment s'han definit com a indivisibles, tals com els protones i neutrons, que més alvance s'ha demostrat que si ho són. Despuix de diferents teories atòmiques i nuclears, en l'actualitat s'usa el cridat model estàndar per a descriure la matèria que constituïx l'univers i les seues interaccions.

D'acort en el model estàndar, existixen sis tipos de quarks, sis tipos de leptones i quatre tipos de bosones. Estes partícules estan dividides en dos grans categories pel principi d'exclusió de Pauli: les que no estan subjectes a este principi són els bosones i a les que si ho estan li les crida fermiones.

Bosones

Archiu:Modelo Estándar.svg

Nom i càrrega elèctrica dels components de la matèria.

Artícul principal → Bosón.

Els bosones són partícules que no complixen el principi d'exclusió de Pauli, per lo que dos partícules poden ocupar el mateix estat quàntic. A temperatures molt baixes tendixen a ocupar el nivell energètic més baix, ocupant totes les partícules el mateix estat quàntic. En 1924, Satyendra Nath Bose i Albert Einstein varen postular un model d'estadística, coneguda ara com estadística de Bose-Einstein, per a molècules a temperatures molt propenques al zero absolut; esta mateixa estadística resulta que pot aplicar-se també a este tipo de partícules.

Els bosones descoberts fins a la data:

Partícula	Símbol	Massa (en GeV/c2)	Càrrega elèctrica	Espin	Interacció
Fotó	$\gamma$	0	0	1	electromagnètica
Bosón W	W±	80.4	± 1	1	dèbil
Bosón Z	Z0	91.187	0	1	dèbil
Gluón	g	0	0	1	forta
Higgs	H0	124.97	0	0	massa en partícules

Les teories matemàtiques que estudien els fenomens d'estes partícules són, en el cas de la cromodinámica quàntica l'interacció forta dels gluones i en el cas de l'electrodinàmica quàntica és l'interacció electrodébil de fotons i bosones W i Z.

Fermiones

Artícul principal → Fermión.

Els fermiones són partícules en espin, o moment angular intrínsec, fraccionario i que sí estan subjectes al principi d'exclusió de Pauli. O siga que dos partícules no poden estar en un mateix estat quàntic en el mateix moment. La seua distribució està regida per l'estadística de Fermi-Dirac; d'ahí el seu nom.

Els fermiones són bàsicament partícules de matèria, pero a diferència dels bosones, no tots els fermiones són partícules elementals. El cas més clar és el dels protones i neutrons; estes partícules són fermiones, pero estan composts de quarks, que, en el nostre nivell actual de coneiximents, sí es consideren com a elementals.

Els fermiones es dividixen en dos grups: els quarks i els leptones. Esta diferència s'aplica degut a que els leptones poden existir aïllats, a diferència dels quarks que es troben sempre en presència d'atres quarks. Els grups de quarks no poden tindre càrrega de color degut a que els gluones que els unixen posseïxen càrrega de color. Les propietats bàsiques d'estes partícules li les troba ací:

Tipo de fermión	Nom	Símbol	Càrrega electromagnètica	Càrrega dèbil*	Carrega de color	Massa
Leptón
	Electró	i−	−1	−1/2	0	0.511 MeV/c²
	Muon	$\mu$−	−1	−1/2	0	105.6 MeV/c²
	Tauón	$\tau$−	−1	−1/2	0	1.784 GeV/c²
	Neutrino electrònic	$\nu$i	0	+1/2	0	< 50 eV/c²
	Neutrino muónico	$\nu$$\mu$	0	+1/2	0	< 0.5 MeV/c²
	Neutrino tauónico	$\nu$$\tau$	0	+1/2	0	< 70 MeV/c²
Quark
	up	o	+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

• Les partícules de la taula solament tenen càrrega dèbil carregada (W⁺ i W⁻) si són levógiras o, per a les antipartículas, si són dextrógiras.

Les partícules s'agrupen en generacions. Existixen tres generacions:

La primera està composta per l'electró, el seu neutrino i els quarks up i down. La matèria ordinària està composta per partícules d'esta primera generació. Les partícules d'atres generacions es desintegren en partícules de les generacions inferiors.

Vore també

• Anex:Taula de partícules.
• Anex:Cronologia històrica de la física de partícules
• Anex:Cronologia de la física atòmica i subatòmica
• Mecànica quàntica.
• Teoria del tot.
• Teoria de cordes.
• Model estàndar de física de partícules.
• Física de Astropartículas.