Partícula subatòmica

Archiu:Helium atom (not to scale).svg

Esquema idealizado de principis de sigle XX per a un àtom d'heli (model de Rutherford), mostrant dos protones (en roig), dos neutrons (en vert) i dos electrons (en groc).

Una partícula subatòmica o subpartícula és una partícula la dimensió de la qual és menor que la d'un àtom, pero no lo més menut que existix, com les cordes. Pot tractar-se d'una partícula elemental o d'una partícula composta formada per atres més menudes, com els cuarks que constituïxen els protones i els neutrons.

Ademés de les partícules que formen part del àtom —com els electrons, protones i neutrons— existixen atres partícules subatòmiques, tant compostes com a elementals, que no pertanyen a l'estructura atòmica. Eixemples d'elles són els neutrinos i diversos bosones associats a les interaccions fonamentals. La majoria de les partículas elementals que s'han descobert i estudiat poden trobar-se en condicions normals en la Terra, generalment perque són inestables (es descomponen en partícules ya conegudes), o be, són difícils de produir de totes maneres. Estes partícules, tant estables com a inestables, es produïxen a l'encert per l'acció dels rajos còsmics en chocar en àtoms de la atmòsfera, i en els processos que es donen en els acceleradors de partícules, els quals imiten un procés similar al primer, pero en condicions controlades. D'esta manera, s'han descobert dotzenes de partícules subatòmiques, i es teorizan centenars d'atres més. Eixemples de partícula teòrica és el gravitón; no obstant, esta i moltes unes atres no han segut observades en acceleradors de partícules moderns, ni en condicions naturals en l'atmòsfera (per l'acció de rajos còsmics).

Com a partícules subatòmiques, es classifiquen també les partícules virtuals, que són partícules que representen un pas intermig en la desintegració d'una partícula no inestable, i per tant, duren molt temps.

Introducció

Els primers models atòmics consideraven bàsicament tres tipos de partícules subatòmiques: protones, electrons i neutrons. Més alvance el descobriment de l'estructura interna de protones i neutrons, va revelar que estes eren partícules compostes. Ademés el tractament quàntic usual de les interaccions entre les partícules comporta que la cohesió de l'àtom requerix atres partícules bosónicas com els piones, els gluones o els fotons.

Els protones i neutrons per la seua banda estan constituïts per quarks i gluones. Aixina un protón està format per dos quarks dalt i un quark avall. Els quarks s'unixen per mig de partícules anomenades gluones, curiosament la presència d'estes partícules és lo que dona als protones i neutrons més del 98% de la seua massa. Existixen sis tipos diferents de quarks (Dalt (up), Avall (down), Fondo (bottom), Cim (top), Estrany (strange) i Encant (charm)). Els protones es mantenen units als neutrons per l'efecte dels piones, que són posades composts formats per parelles de quark i antiquark (a la seua volta units per gluones). Existixen també atres partícules elementals que són responsables de les forces electromagnètica (els fotons) i dèbil (els neutrinos i els bosones W i Z). Els electrons, que estan carregats en càrrega negativa, tenen una massa 1/1836 de la de l'àtom d'hidrogen, provenint el restant de la seua massa del protón. El número atómico d'un element és el número de protones (o el d'electrons si l'element és neutre). Els neutrons per la seua banda són partícules neutres en una massa molt similar a la del protón. Els distints isòtops d'un mateix element contenen el mateix número de protones pero distint número de neutrons. El número másico d'un element és el número total de protones més neutrons que posseïx en el seu núcleu.

Les propietats més interessants de les tres partícules estables constituents de la matèria existent en l'univers són:

• Protón: Es troba en el núcleu. La seua massa és d'1,6×10^-27 kg. Té càrrega positiva igual en magnitut a la càrrega de l'electró. L'número atómico d'un element indica el número de protones que té en el núcleu. Per eixemple el núcleu de l'àtom d'hidrogen conté un únic protón, per lo que el seu número atómico (Z) és 1.
• Electró: Es troba en la corfa. La seua massa aproximadament és de 9,1×10^-31 kg. Té càrrega elèctrica negativa (-1.602×10^-19 C).
• Neutró: Es troba en el núcleu. La seua massa és casi igual que la del protón. No posseïx càrrega elèctrica. Encara que sí posseïx moment magnètic per lo que pot ser afectat pels camps electromagnètics, encara que més débilmente que el protón. Ademés fora del núcleu atòmic esta partícula és inestable i es desintegra espontàneament en uns 20 minuts.

El concepte de la partícula elemental és hui alguna cosa més obscur per l'existència de cuasipartícula que si ben no poden ser detectades per un detector constituïxen estats quàntics la descripció dels quals fenomenológica és molt similar a la d'una partícula real i material. Finalment, cal dir, que l'explicació de fenomens com la radioactividad requerixen per a ser explicats, l'existència de noves partícules anomenades neutrinos, que també són partícules elementals, que interactuen molt débilmente en el restant de la matèria per mig de la cridada interacció dèbil, que històricament es va denominar en els seus orígens força nuclear dèbil.

Història

Antiguetat

En la Grècia clàssica, el terme ἀτομός atomós 'sense parts, indivisible' (la paraula prenc 'part' s'usa també per a referir-se a les divisions d'un llibre, per eixemple) era concebut com la part més menuda i indivisible constituent de la matèria, proveït d'uns ganchitos que els mantenien units als atres àtoms.

XIX

Va ser el desenroll de la química la que va conseguir establir un número determinat de constituents de tota la matèria existent i mesurable en la Terra. Les seues troballes varen donar el seu major frut de la mà de Dmitri Mendeléyev, en concretar d'una forma senzilla tots els possibles àtoms (definint de fet l'existència d'alguns no descoberts fins a temps despuix).

Més alvance es va descobrir que, si ben els recent definits àtoms complien la condició de ser els constituents de tota la matèria, no complien cap de les atres dos condicions. Ni eren la part més menuda ni eren indivisibles. No obstant es va decidir mantindre el terme àtom per a estos constituents de la matèria.

La electroquímica liderada per G. Johnstone Stoney, va donar lloc al descobriment dels electrons (i^-) en 1874, observat en 1897 per Joseph John Thomson. Estos electrons donaven lloc a les distintes configuracions dels àtoms i de les molècules. Per la seua banda en 1907 els experiments d'Ernest Rutherford varen revelar que gran part de l'àtom era realment buit, i que casi tota la massa es concentrava en un núcleu relativament menut. El desenroll de la teoria quàntica va dur a considerar la química en térmens de distribucions dels electrons en eixe espai buit. Atres experiments varen demostrar que existien unes partícules que formaven el núcleu: el protón (p⁺) i el neutró (n) (postulat per Rutherford i descobert per James Chadwick en 1932). Estos descobriments replantejaven la qüestió de les parts més menudes i indivisibles que formaven l'univers conegut. Es va començar a parlar de les partícules subatòmiques.

Més vesprada encara, profundisant més en les propietats dels protones, neutrons i electrons es va aplegar a la conclusió de que tampoc estos (a lo manco els dos primers) podien ser tractats com la part més menuda, ni com a indivisibles, ya que els quarks donaven estructura als nucleones. A partir d'ací es va escomençar a parlar de partícules el tamany de les quals fora inferior a la de qualsevol àtom. Esta definició incloïa a tots els constituents de l'àtom, pero també als constituents d'eixos constituents, i també a totes aquelles partícules que, sense formar part de la matèria, existixen en la naturalea. A partir d'ací es parla de partícules elementals.

XX

Albert Einstein va interpretar el efecte fotoeléctrico com una evidència de l'existència real del fotó. Anteriorment, en 1905, Max Planck havia postulat el fotó com un quàntum d'energia electromagnètica mínim per a resoldre el problema de termodinàmica de la radiació del cos negre.

Per la seua banda Ernest Rutherford va descobrir en 1907 en el famós experiment de la làmina d'or que casi la totalitat de la massa d'un àtom estava concentrada en una molt menuda part d'ell, que posteriorment es cridaria núcleu atòmic, sent el restant buit. El desenroll continuat d'estes idees va dur a la mecànica quàntica, alguns dels primers èxits de la qual varen incloure l'explicació de les propietats del àtom.

Molt pronte es va identificar una nova partícula, el protón, com a constituent únic del núcleu del hidrogen. Rutherford també va postular l'existència d'una atra partícula, cridada neutró, despuix del seu descobriment del núcleu. Esta partícula va ser descoberta experimentalment en 1932 per James Chadwick. A estes partícules es va sumar una llarga llista:

• Wolfgang Pauli va postular en 1931 l'existència del neutrino per a explicar l'aparent pèrdua de la conservació de la cantitat de moviment que es donava en la desintegració beta. Enrico Fermi va ser qui va inventar el nom. La partícula no va ser descoberta fins a 1956.
• Va ser Hideki Yukawa quí va postular l'existència dels piones per a explicar la força forta que unia als nucleones en l'interior del núcleu. El muon es va descobrir en 1936, pensant-se inicialment de forma errònea que era un pion. En la década de 1950 es va descobrir el primer kaón entre els rajos còsmics.
• El desenroll de nous acceleradors de partícules i detectors de partícules en eixa década de 1950 va dur al descobriment d'un gran número d'hadrones, provocant la famosa cita de Wolfgang Pauli: «If I had foreseen this, I would have gone into botany» («Si haguera previst açò m'haguera fet botànic»).
• Junt en els hadrones composts varen aparéixer séries de partícules que semblaven duplicar les funcions i característiques de partícules més menudes. Aixina es va descobrir un atre «electró pesat», ademés del muon, el tauón, aixina com diverses séries de quarks pesats. Cap de les partícules d'estes séries més pesades sembla formar part dels àtoms de la matèria ordinària.

La classificació d'eixos hadrones a través del model de quarks en 1961 va ser el començ de l'edat d'or de la física moderna de partícules, que va culminar en la completitud de la teoria unificada cridada el model estàndar en la década dels 70.La confirmació de l'existència dels bosones de gauge dèbil en la década de 1980 i la verificació de les seues propietats en els 90 es considera com l'era de la consolidació de la física de partícules.

XXI

Entre les partícules definides pel model estàndar de la física de partícules, va permanéixer sense descobrir el elusivo bosón de Higgs per varis anys fins que finalment va ser detectat per experiments en el CERN i anunciat en la presència del seu teòric creador Peter Higgs el 4 de juliol de 2012. Est ha segut un dels objectius primordials de l'accelerador Large Hadron Collider (LHC) de el CERN. El bosón de Higgs és la que conferix massa a atres partícules i explica per qué es varen formar estreles, sistemes solars i estructures de l'univers despuix del Big Bang per lo que el seu descobriment científic i prova experimental de soport representen el més important guany de la física i la cosmologia dels últims 30 anys. El restant de partícules conegudes encaixa a la perfecció en el model estàndar.

Igualment la cromodinámica quàntica reticular, és un desenroll relativament recent de la cromodinámica quàntica que ha permés entendre l'estructura de moltes partícules subatòmiques compostes. En particular, la massa i atres propietats dels hadrones han pogut ser enteses en precisió per primera volta en el primer quarto de el XXI, gràcies a l'ocupació massiva de clústers de superordenadores, per a calcular configuracions específiques que permeten càlculs molt detallats de com és l'estructura d'estes partícules subatòmiques compostes.