Física de partículas

La física de partículas (también conocida como física de altas energías) es una rama de la física que estudia la naturaleza de las partículas que constituyen la materia y la radiación. Aunque la palabra partícula puede referirse a varios tipos de objetos muy pequeños (p. ej., protones, partículas de gas o incluso polvo doméstico), la física de partículas suele investigar las partículas detectables irreductiblemente más pequeñas y las interacciones fundamentales necesarias para explicar su comportamiento.

En la comprensión actual, estas partículas elementales son excitaciones de los campos cuánticos que también gobiernan sus interacciones. La teoría actualmente dominante que explica estas partículas y campos fundamentales, junto con su dinámica, se llama Modelo Estándar. Por lo tanto, la física de partículas moderna generalmente investiga el modelo estándar y sus diversas extensiones posibles, por ejemplo, a la partícula "conocida" más nueva, el bosón de Higgs, o incluso al campo de fuerza más antiguo conocido, la gravedad.

Partículas subatómicas

	Tipos	Generaciones	Antipartícula	Colores	Total
quarks	2	3	Par	3	36
leptones	Par	Ninguna	12
gluones	1	Ninguna	Propio	8	8
Fotón	Propio	Ninguna	1
bosón z	Propio	1
bosón W	Par	2
Higgs	Propio	1
Número total de partículas elementales (conocidas):	61

La investigación moderna en física de partículas se centra en las partículas subatómicas, incluidos los componentes atómicos, como los electrones, los protones y los neutrones (los protones y los neutrones son partículas compuestas llamadas bariones, hechas de quarks), que se producen mediante procesos radiactivos y de dispersión; tales partículas son fotones, neutrinos y muones, así como una amplia gama de partículas exóticas.

La dinámica de las partículas también se rige por la mecánica cuántica; exhiben dualidad onda-partícula, mostrando un comportamiento similar al de una partícula bajo ciertas condiciones experimentales y un comportamiento similar al de una onda en otras. En términos más técnicos, se describen mediante vectores de estado cuánticos en un espacio de Hilbert, que también se trata en la teoría cuántica de campos. Siguiendo la convención de los físicos de partículas, el término partículas elementales se aplica a aquellas partículas que, según la comprensión actual, se supone que son indivisibles y no compuestas de otras partículas.

Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi en su totalidad mediante una teoría cuántica de campos llamada Modelo Estándar. El Modelo Estándar, tal como está formulado actualmente, tiene 61 partículas elementales. Esas partículas elementales pueden combinarse para formar partículas compuestas, lo que representa los cientos de otras especies de partículas que se han descubierto desde la década de 1960.

Se ha encontrado que el Modelo Estándar está de acuerdo con casi todas las pruebas experimentales realizadas hasta la fecha. Sin embargo, la mayoría de los físicos de partículas creen que es una descripción incompleta de la naturaleza y que una teoría más fundamental espera ser descubierta (ver Teoría del Todo). En los últimos años, las mediciones de la masa de los neutrinos han proporcionado las primeras desviaciones experimentales del modelo estándar, ya que los neutrinos no tienen masa en el modelo estándar.

Historia

Dinámica múltiple: ecuaciones de Schrödinger y Klein-Gordon

La idea de que toda la materia está compuesta fundamentalmente de partículas elementales data al menos del siglo VI a. En el siglo XIX, John Dalton, a través de su trabajo sobre estequiometría, llegó a la conclusión de que cada elemento de la naturaleza estaba compuesto por un único tipo de partícula. La palabra átomo, después de la palabra griega atomosque significa "indivisible", ha denotado desde entonces la partícula más pequeña de un elemento químico, pero los físicos pronto descubrieron que los átomos no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino conglomerados de partículas aún más pequeñas, como el electrón. Las exploraciones de principios del siglo XX de la física nuclear y la física cuántica llevaron a pruebas de fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basadas en experimentos de Otto Hahn) y fusión nuclear por Hans Bethe en ese mismo año; ambos descubrimientos también condujeron al desarrollo de armas nucleares. A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, se encontró una desconcertante variedad de partículas en colisiones de partículas de haces de energía cada vez más alta. Se lo denominó informalmente como el "zoológico de partículas". Después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970, los físicos aclararon el origen del zoológico de partículas. El gran número de partículas se explicó como combinaciones de un número (relativamente) pequeño de partículas más fundamentales y se enmarcó en el contexto de las teorías cuánticas de campos. Esta reclasificación marcó el comienzo de la física de partículas moderna.

Modelo estandar

El estado actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica por el Modelo Estándar, que obtuvo una amplia aceptación a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de los quarks. Describe las interacciones fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas, utilizando bosones de medida mediadores. Las especies de bosones de calibre son ocho gluones,W,WyZbosones y el fotón. El Modelo Estándar también contiene 24 fermiones fundamentales (12 partículas y sus antipartículas asociadas), que son los constituyentes de toda la materia. Finalmente, el Modelo Estándar también predijo la existencia de un tipo de bosón conocido como bosón de Higgs. El 4 de julio de 2012, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunciaron que habían encontrado una nueva partícula que se comporta de manera similar a lo que se espera del bosón de Higgs.

Laboratorios experimentales

Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:

• Laboratorio Nacional de Brookhaven (Long Island, Estados Unidos). Su instalación principal es el colisionador de iones pesados ​​relativistas (RHIC), que colisiona iones pesados ​​como iones de oro y protones polarizados. Es el primer colisionador de iones pesados ​​del mundo y el único colisionador de protones polarizados del mundo.
• Instituto Budker de Física Nuclear (Novosibirsk, Rusia). Sus principales proyectos son ahora los colisionadores de electrones y positrones VEPP-2000, operados desde 2006, y VEPP-4, que inició experimentos en 1994. Las instalaciones anteriores incluyen el primer colisionador de electrones y haces de electrones VEP-1, que realizó experimentos desde 1964 hasta 1968; los colisionadores electrón-positrón VEPP-2, operados desde 1965 hasta 1974; y, su sucesor VEPP-2M, realizó experimentos desde 1974 hasta 2000.
• CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) (frontera franco-suiza, cerca de Ginebra). Su principal proyecto es ahora el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que tuvo su primera circulación de haz el 10 de septiembre de 2008, y ahora es el colisionador de protones más energético del mundo. También se convirtió en el colisionador más enérgico de iones pesados ​​después de que comenzó a colisionar con iones de plomo. Las instalaciones anteriores incluyen el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), que se detuvo el 2 de noviembre de 2000 y luego se desmanteló para dar paso al LHC; y el Super Proton Synchrotron, que se está reutilizando como preacelerador para el LHC y para experimentos con objetivos fijos.
• DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Hamburgo, Alemania). Su instalación principal era el Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), que colisionaba electrones y positrones con protones. El complejo acelerador se centra ahora en la producción de radiación sincrotrón con PETRA III, FLASH y el XFEL europeo.
• Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) (Batavia, Estados Unidos). Su instalación principal hasta 2011 fue el Tevatron, que hizo colisionar protones y antiprotones y fue el colisionador de partículas de mayor energía en la tierra hasta que el Gran Colisionador de Hadrones lo superó el 29 de noviembre de 2009.
• Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) (Beijing, China). IHEP administra varias de las principales instalaciones de física de partículas de China, incluido el colisionador de electrones y positrones II de Beijing (BEPC II), el espectrómetro de Beijing (BES), la instalación de radiación de sincrotrón de Beijing (BSRF), el Observatorio Internacional de Rayos Cósmicos en Yangbajing en el Tíbet., el Experimento de neutrinos del reactor de Daya Bay, la Fuente de neutrones de espalación de China, el Telescopio de modulación de rayos X duros (HXMT) y el Sistema subcrítico impulsado por acelerador (ADS), así como el Observatorio subterráneo de neutrinos de Jiangmen (JUNO).
• KEK (Tsukuba, Japón). Es el hogar de una serie de experimentos, como el experimento K2K, un experimento de oscilación de neutrinos y Belle II, un experimento que mide la violación CP de los mesones B.
• Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (Menlo Park, Estados Unidos). Su acelerador lineal de partículas de 2 millas de largo comenzó a operar en 1962 y fue la base de numerosos experimentos de colisión de electrones y positrones hasta 2008. Desde entonces, el acelerador lineal se está utilizando para el láser de rayos X Linac Coherent Light Source, así como para el acelerador avanzado. investigación de diseño. El personal de SLAC continúa participando en el desarrollo y la construcción de muchos detectores de partículas en todo el mundo.

También existen muchos otros aceleradores de partículas. Las técnicas requeridas para la física de partículas experimental moderna son bastante variadas y complejas, y constituyen una subespecialidad casi completamente distinta del lado teórico del campo.

Teoría

Diagrama de Feynman

La física de partículas teórica intenta desarrollar los modelos, el marco teórico y las herramientas matemáticas para comprender los experimentos actuales y hacer predicciones para experimentos futuros (ver también física teórica). En la actualidad, se están realizando varios esfuerzos importantes interrelacionados en la física teórica de partículas.

Una rama importante intenta comprender mejor el modelo estándar y sus pruebas. Los teóricos hacen predicciones cuantitativas de observables en colisionadores y experimentos astronómicos, que junto con mediciones experimentales se utilizan para extraer los parámetros del modelo estándar con menos incertidumbre. Este trabajo prueba los límites del Modelo Estándar y, por lo tanto, amplía la comprensión científica de los componentes básicos de la naturaleza. Esos esfuerzos se vuelven desafiantes por la dificultad de calcular cantidades de alta precisión en la cromodinámica cuántica. Algunos teóricos que trabajan en esta área utilizan las herramientas de la teoría del campo cuántico perturbativo y la teoría del campo efectivo, refiriéndose a sí mismos como fenomenólogos. Otros hacen uso de la teoría del campo de celosía y se llaman a sí mismos teóricos de celosía..

Otro gran esfuerzo es en la construcción de modelos, donde los constructores de modelos desarrollan ideas sobre lo que la física puede estar más allá del modelo estándar (a energías más altas o distancias más pequeñas). Este trabajo a menudo está motivado por el problema de la jerarquía y está limitado por los datos experimentales existentes. Puede implicar trabajo sobre supersimetría, alternativas al mecanismo de Higgs, dimensiones extraespaciales (como los modelos de Randall-Sundrum), teoría de Preon, combinaciones de estos u otras ideas.

Un tercer gran esfuerzo en la física teórica de partículas es la teoría de cuerdas. Los teóricos de cuerdas intentan construir una descripción unificada de la mecánica cuántica y la relatividad general mediante la construcción de una teoría basada en pequeñas cuerdas y branas en lugar de partículas. Si la teoría tiene éxito, puede considerarse una "Teoría del Todo" o "TOE".

También hay otras áreas de trabajo en la física teórica de partículas que van desde la cosmología de partículas hasta la gravedad cuántica de bucles.

Esta división de esfuerzos en la física de partículas se refleja en los nombres de las categorías en arXiv, un archivo de preimpresión: hep-th (teoría), hep-ph (fenomenología), hep-ex (experimentos), hep-lat (teoría de calibre reticular).

Aplicaciones prácticas

En principio, toda la física (y las aplicaciones prácticas desarrolladas a partir de ella) pueden derivarse del estudio de las partículas fundamentales. En la práctica, incluso si la "física de partículas" se entiende solo como "destructores de átomos de alta energía", se han desarrollado muchas tecnologías durante estas investigaciones pioneras que luego encuentran amplios usos en la sociedad. Los aceleradores de partículas se utilizan para producir isótopos médicos para la investigación y el tratamiento (por ejemplo, los isótopos utilizados en la obtención de imágenes PET) o se utilizan directamente en la radioterapia de haz externo. El desarrollo de los superconductores ha sido impulsado por su uso en la física de partículas. La World Wide Web y la tecnología de pantalla táctil se desarrollaron inicialmente en el CERN. Se encuentran aplicaciones adicionales en medicina, seguridad nacional, industria, computación, ciencia y desarrollo de la fuerza laboral.

Futuro

El objetivo principal, que se persigue de varias maneras distintas, es encontrar y comprender qué física puede haber más allá del modelo estándar. Hay varias poderosas razones experimentales para esperar una nueva física, incluida la materia oscura y la masa de neutrinos. También hay indicios teóricos de que esta nueva física debería encontrarse en escalas de energía accesibles.

Gran parte del esfuerzo por encontrar esta nueva física se centra en nuevos experimentos con colisionadores. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se completó en 2008 para ayudar a continuar la búsqueda del bosón de Higgs, las partículas supersimétricas y otra física nueva. Un objetivo intermedio es la construcción del Colisionador Lineal Internacional (ILC), que complementará al LHC al permitir mediciones más precisas de las propiedades de las partículas recién descubiertas. En agosto de 2004, se tomó una decisión sobre la tecnología del ILC, pero aún no se ha acordado el sitio.

Además, existen importantes experimentos sin colisionadores que también intentan encontrar y comprender la física más allá del modelo estándar. Un esfuerzo no colisionador importante es la determinación de las masas de los neutrinos, ya que estas masas pueden surgir de la mezcla de neutrinos con partículas muy pesadas. Además, las observaciones cosmológicas brindan muchas restricciones útiles sobre la materia oscura, aunque puede ser imposible determinar la naturaleza exacta de la materia oscura sin los colisionadores. Finalmente, los límites inferiores en la muy larga vida útil del protón imponen restricciones a las Grandes Teorías Unificadas a escalas de energía mucho más altas que las que los experimentos del colisionador podrán probar en el corto plazo.

En mayo de 2014, el Panel de Priorización del Proyecto de Física de Partículas publicó su informe sobre las prioridades de financiación de la física de partículas para los Estados Unidos durante la próxima década. Este informe enfatizó la participación continua de EE. UU. en el LHC y el ILC, y la expansión del Experimento de neutrinos subterráneos profundos, entre otras recomendaciones.