Partícula elemental

En física de partículas, una partícula elemental o partícula fundamental es una partícula subatómica que no está compuesta por otras partículas. Las partículas que actualmente se consideran elementales incluyen electrones, los fermiones fundamentales (quarks, leptones, antiquarks y antileptones, que generalmente son partículas de materia y partículas de antimateria), así como los bosones fundamentales (bosones de calibre y el bosón de Higgs), que generalmente son partículas de fuerza que median interacciones entre fermiones. Una partícula que contiene dos o más partículas elementales es una partícula compuesta.

La materia ordinaria está compuesta de átomos, que antes se suponía que eran partículas elementales: atomos que significa "no se puede cortar" en griego, aunque la existencia del átomo siguió siendo controvertida hasta aproximadamente 1905, ya que algunos físicos destacados consideraban las moléculas como ilusiones matemáticas y la materia, en última instancia, compuesta de energía. Los constituyentes subatómicos del átomo se identificaron por primera vez a principios de la década de 1930; el electrón y el protón, junto con el fotón, la partícula de radiación electromagnética. En ese momento, el reciente advenimiento de la mecánica cuántica estaba alterando radicalmente la concepción de las partículas, ya que una sola partícula aparentemente podía abarcar un campo como lo haría una onda, una paradoja que todavía elude una explicación satisfactoria.

A través de la teoría cuántica, se descubrió que los protones y los neutrones contienen quarks, quarks up y quarks down, que ahora se consideran partículas elementales. Y dentro de una molécula, los tres grados de libertad del electrón (carga, espín, orbital) pueden separarse a través de la función de onda en tres cuasipartículas (holón, espín y orbitón). Sin embargo, un electrón libre, uno que no orbita alrededor de un núcleo atómico y, por lo tanto, carece de movimiento orbital, parece indivisible y sigue considerándose una partícula elemental.

Alrededor de 1980, el estado de una partícula elemental como realmente elemental (un constituyente último de la sustancia) se descartó en su mayoría por una perspectiva más práctica, incorporada en la física de partículas. Modelo estándar, lo que se conoce como la teoría de mayor éxito experimental de la ciencia. Muchas elaboraciones y teorías más allá del modelo estándar, incluida la supersimetría, duplican el número de partículas elementales al suponer que cada partícula conocida se asocia con una "sombra"; socio mucho más masivo, aunque todos esos supersocios permanecen sin descubrir. Mientras tanto, un bosón elemental que media la gravitación, el gravitón, sigue siendo hipotético. Además, según algunas hipótesis, el espacio-tiempo está cuantizado, por lo que dentro de estas hipótesis probablemente existan "átomos" del espacio y del tiempo mismos.

Resumen

Todas las partículas elementales son bosones o fermiones. Estas clases se distinguen por sus estadísticas cuánticas: los fermiones obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac y los bosones obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein. Su espín se diferencia mediante el teorema de la estadística del espín: es medio entero para los fermiones y entero para los bosones.

Notas:
[†] Un anti-electrón (
e ⁺
) se denomina convencionalmente "positrón".
[‡] Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen espín = 1 y, por lo tanto, son bosones vectoriales. El gravitón hipotético tiene espín = 2 y es un bosón tensor; se desconoce si también es un bosón de norma.

En el modelo estándar, las partículas elementales se representan para su utilidad predictiva como partículas puntuales. Aunque extremadamente exitoso, el modelo estándar está limitado por su omisión de la gravitación y tiene algunos parámetros agregados arbitrariamente pero sin explicación.

Abundancia cósmica de partículas elementales

Según los modelos actuales de nucleosíntesis del big bang, la composición primordial de la materia visible del universo debería ser de aproximadamente un 75 % de hidrógeno y un 25 % de helio-4 (en masa). Los neutrones están formados por un quark arriba y dos abajo, mientras que los protones están formados por dos quarks arriba y uno abajo. Dado que las otras partículas elementales comunes (como los electrones, los neutrinos o los bosones débiles) son tan ligeras o raras en comparación con los núcleos atómicos, podemos despreciar su contribución de masa a la masa total del universo observable. Por lo tanto, se puede concluir que la mayor parte de la masa visible del universo consiste en protones y neutrones, que, como todos los bariones, a su vez consisten en quarks up y quarks down.

Algunas estimaciones implican que hay aproximadamente 10⁸⁰ bariones (casi en su totalidad protones y neutrones) en el universo observable.

La cantidad de protones en el universo observable se denomina número de Eddington.

En términos de número de partículas, algunas estimaciones implican que casi toda la materia, excepto la materia oscura, se encuentra en los neutrinos, que constituyen la mayoría de los aproximadamente 10⁸⁶ partículas elementales de materia que existen en el universo visible. Otras estimaciones implican que aproximadamente 10⁹⁷ partículas elementales existen en el universo visible (sin incluir la materia oscura), principalmente fotones y otros portadores de fuerza sin masa.

Modelo estándar

El modelo estándar de física de partículas contiene 12 tipos de fermiones elementales, además de sus correspondientes antipartículas, así como bosones elementales que median las fuerzas y el bosón de Higgs, que se informó el 4 de julio de 2012, como probablemente detectado por los dos experimentos principales en el Gran Colisionador de Hadrones (ATLAS y CMS). Sin embargo, se considera ampliamente que el modelo estándar es una teoría provisional en lugar de una verdaderamente fundamental, ya que no se sabe si es compatible con la relatividad general de Einstein. Puede haber partículas elementales hipotéticas no descritas por el Modelo Estándar, como el gravitón, la partícula que transportaría la fuerza gravitatoria, y las partículas, las parejas supersimétricas de las partículas ordinarias.

Fermiones fundamentales

Los 12 fermiones fundamentales se dividen en 3 generaciones de 4 partículas cada una. La mitad de los fermiones son leptones, tres de los cuales tienen una carga eléctrica de −1, llamada electrón (
e⁻
), el muón (
μ⁻
), y el tau (
τ⁻
); los otros tres leptones son neutrinos (
ν
_e,
ν
_μ,
ν
_τ), que son los únicos elementos fermiones tararios sin carga eléctrica ni de color. Las seis partículas restantes son quarks (discutidos a continuación).

Generaciones

Masa

La siguiente tabla enumera las masas medidas actuales y las estimaciones de masa para todos los fermiones, utilizando la misma escala de medida: millones de electronvoltios relativos al cuadrado de la velocidad de la luz (MeV/c²). Por ejemplo, la masa de quark conocida con mayor precisión es la del quark top (
t
) en 172,7 GeV/c2 o 172700 MeV/c2, estimado usando el On-shell esquema.

Las estimaciones de los valores de las masas de los quarks dependen de la versión de la cromodinámica cuántica utilizada para describir las interacciones de los quarks. Los quarks siempre están confinados en una envoltura de gluones que confieren una masa mucho mayor a los mesones y bariones donde se encuentran los quarks, por lo que los valores de las masas de los quarks no se pueden medir directamente. Dado que sus masas son tan pequeñas en comparación con la masa efectiva de los gluones circundantes, ligeras diferencias en el cálculo generan grandes diferencias en las masas.

Antipartículas

También hay 12 antipartículas fermiónicas fundamentales que corresponden a estas 12 partículas. Por ejemplo, el antielectrón (positrón)
e⁺
es la antipartícula del electrón y tiene una carga eléctrica de +1.

Quarcos

Nunca se han detectado quarks y antiquarks aislados, hecho explicado por el confinamiento. Cada quark lleva una de las tres cargas de color de la interacción fuerte; los antiquarks también llevan anticolor. Las partículas cargadas de color interactúan a través del intercambio de gluones de la misma manera que las partículas cargadas interactúan a través del intercambio de fotones. Sin embargo, los gluones están cargados de color, lo que resulta en una amplificación de la fuerza fuerte a medida que se separan las partículas cargadas de color. A diferencia de la fuerza electromagnética, que disminuye a medida que se separan las partículas cargadas, las partículas cargadas de color sienten una fuerza creciente.

Sin embargo, las partículas cargadas de color pueden combinarse para formar partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones. Un quark puede emparejarse con un antiquark: el quark tiene un color y el antiquark tiene el anticolor correspondiente. El color y el anticolor se anulan, formando un mesón de color neutro. Alternativamente, pueden coexistir tres quarks, siendo un quark 'rojo', otro 'azul', otro 'verde'. Estos tres quarks de colores juntos forman un barión de color neutro. Simétricamente, tres antiquarks con los colores "antired", "antiblue" y "antiverde" puede formar un antibarión de color neutro.

Los quarks también portan cargas eléctricas fraccionarias, pero, dado que están confinados dentro de hadrones cuyas cargas son todas integrales, las cargas fraccionarias nunca se han aislado. Tenga en cuenta que los quarks tienen cargas eléctricas de +2⁄3 o −1⁄3, mientras que los antiquarks tienen cargas eléctricas correspondientes de −2⁄3 o +1⁄3.

La evidencia de la existencia de los quarks proviene de la dispersión inelástica profunda: disparar electrones a los núcleos para determinar la distribución de carga dentro de los nucleones (que son bariones). Si la carga es uniforme, el campo eléctrico alrededor del protón debería ser uniforme y el electrón debería dispersarse elásticamente. Los electrones de baja energía se dispersan de esta manera, pero, por encima de una energía particular, los protones desvían algunos electrones en ángulos grandes. El electrón que retrocede tiene mucha menos energía y se emite un chorro de partículas. Esta dispersión inelástica sugiere que la carga en el protón no es uniforme sino que se divide entre partículas cargadas más pequeñas: los quarks.

Bosones fundamentales

En el modelo estándar, los bosones vectoriales (espín-1) (gluones, fotones y los bosones W y Z) median fuerzas, mientras que el bosón de Higgs (espín-0) es responsable de la masa intrínseca de las partículas. Los bosones se diferencian de los fermiones en el hecho de que múltiples bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico (principio de exclusión de Pauli). Además, los bosones pueden ser elementales, como los fotones, o una combinación, como los mesones. El espín de los bosones son números enteros en lugar de medios enteros.

Gluones

Los gluones median en la interacción fuerte, que se une a los quarks y, por lo tanto, forman hadrones, que son bariones (tres quarks) o mesones (un quark y un antiquark). Los protones y los neutrones son bariones, unidos por gluones para formar el núcleo atómico. Al igual que los quarks, los gluones exhiben color y anticolor, sin relación con el concepto de color visual y más bien con las partículas. interacciones fuertes, a veces en combinaciones, en total ocho variaciones de gluones.

Bosones electrodébiles

Hay tres bosones de norma débiles: W⁺, W⁻ y Z⁰; estos median la interacción débil. Los bosones W son conocidos por su mediación en la desintegración nuclear: el W⁻ convierte un neutrón en un protón y luego se desintegra en un par electrón y antineutrino-electrón. El Z⁰ no convierte el sabor o las cargas de las partículas, sino que cambia el impulso; es el único mecanismo para la dispersión elástica de neutrinos. Los bosones de calibre débil se descubrieron debido al cambio de momento en los electrones del intercambio neutrino-Z. El fotón sin masa media la interacción electromagnética. Estos cuatro bosones de calibre forman la interacción electrodébil entre las partículas elementales.

Bosón de Higgs

Aunque las fuerzas débil y electromagnética nos parecen bastante diferentes a las energías cotidianas, se teoriza que las dos fuerzas se unifican como una sola fuerza electrodébil a altas energías. Esta predicción fue claramente confirmada por las mediciones de secciones transversales para la dispersión de electrones y protones de alta energía en el colisionador HERA en DESY. Las diferencias a bajas energías son consecuencia de las altas masas de los bosones W y Z, que a su vez son consecuencia del mecanismo de Higgs. A través del proceso de ruptura espontánea de la simetría, el Higgs selecciona una dirección especial en el espacio electrodébil que hace que tres partículas electrodébiles se vuelvan muy pesadas (los bosones débiles) y una permanezca con una masa indefinida en reposo ya que siempre está en movimiento (el fotón). El 4 de julio de 2012, después de muchos años de búsqueda experimental de pruebas de su existencia, se anunció que se había observado el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Peter Higgs, quien primero postuló la existencia del bosón de Higgs, estuvo presente en el anuncio. Se cree que el bosón de Higgs tiene una masa de aproximadamente 125 GeV. La significación estadística de este descubrimiento se informó como 5 sigma, lo que implica una certeza de aproximadamente el 99,99994 %. En física de partículas, este es el nivel de importancia requerido para etiquetar oficialmente las observaciones experimentales como un descubrimiento. La investigación sobre las propiedades de la partícula recién descubierta continúa.

Gravitón

El gravitón es una partícula elemental hipotética de espín-2 propuesta para mediar en la gravitación. Si bien permanece sin descubrir debido a la dificultad inherente a su detección, a veces se incluye en las tablas de partículas elementales. El gravitón convencional no tiene masa, aunque existen algunos modelos que contienen gravitones Kaluza-Klein masivos.

Más allá del modelo estándar

Aunque la evidencia experimental confirma abrumadoramente las predicciones derivadas del Modelo Estándar, algunos de sus parámetros se agregaron arbitrariamente, no determinados por una explicación particular, que siguen siendo misteriosos, por ejemplo, el problema de la jerarquía. Las teorías más allá del Modelo Estándar intentan resolver estas deficiencias.

Gran unificación

Una extensión del modelo estándar intenta combinar la interacción electrodébil con la interacción fuerte en una única "gran teoría unificada" (INTESTINO). Tal fuerza se dividiría espontáneamente en las tres fuerzas mediante un mecanismo similar al de Higgs. Se teoriza que esta ruptura ocurre a altas energías, lo que dificulta observar la unificación en un laboratorio. La predicción más espectacular de la gran unificación es la existencia de los bosones X e Y, que provocan la descomposición de los protones. Sin embargo, la no observación de la desintegración de protones en el observatorio de neutrinos Super-Kamiokande descarta los GUT más simples, incluidos SU(5) y SO(10).

Supersimetría

La supersimetría amplía el modelo estándar al agregar otra clase de simetrías al lagrangiano. Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas con bosónicas. Tal simetría predice la existencia de partículas supersimétricas, abreviadas como partículas, que incluyen los sleptons, squarks, neutralinos y charginos. Cada partícula en el modelo estándar tendría una supercompañera cuyo giro difiere en 1⁄2 de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría, las partículas son mucho más pesadas que sus contrapartes ordinarias; son tan pesados que los colisionadores de partículas existentes no serían lo suficientemente poderosos para producirlos. Algunos físicos creen que el Gran Colisionador de Hadrones del CERN detectará las partículas.

Teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas es un modelo de física en el que todas las "partículas" que componen la materia se componen de cuerdas (que miden la longitud de Planck) que existen en un universo de 11 dimensiones (según la teoría M, la versión principal) o de 12 dimensiones (según la teoría F). Estas cuerdas vibran a diferentes frecuencias que determinan la masa, la carga eléctrica, la carga de color y el giro. Una "cadena" puede ser abierta (una línea) o cerrada en un bucle (una esfera unidimensional, es decir, un círculo). A medida que una cuerda se mueve por el espacio, barre algo llamado hoja del mundo. La teoría de cuerdas predice de 1 a 10 branas (una brana 1 es una cuerda y una brana 10 es un objeto de 10 dimensiones) que evitan los desgarros en la "tela" del espacio utilizando el principio de incertidumbre (por ejemplo, el electrón que orbita alrededor de un átomo de hidrógeno tiene la probabilidad, aunque pequeña, de que podría estar en cualquier otro lugar del universo en un momento dado).

La teoría de cuerdas propone que nuestro universo es simplemente una brana de 4, dentro de la cual existen las 3 dimensiones del espacio y la 1 dimensión del tiempo que observamos. Las 7 dimensiones teóricas restantes son muy pequeñas y están enrolladas (y demasiado pequeñas para ser accesibles macroscópicamente) o simplemente no existen o no pueden existir en nuestro universo (porque existen en un esquema más amplio llamado "multiverso" fuera de nuestro universo conocido).

Algunas predicciones de la teoría de cuerdas incluyen la existencia de contrapartes extremadamente masivas de partículas ordinarias debido a excitaciones vibratorias de la cuerda fundamental y la existencia de una partícula de espín-2 sin masa que se comporta como el gravitón.

Tecnicolor

Las teorías Technicolor intentan modificar el modelo estándar de forma mínima mediante la introducción de una nueva interacción similar a QCD. Esto significa que uno agrega una nueva teoría de los llamados Techniquarks, que interactúan a través de los llamados Technigluons. La idea principal es que el bosón de Higgs no es una partícula elemental sino un estado ligado de estos objetos.

Teoría de los preones

Según la teoría de los preones, hay uno o más órdenes de partículas más fundamentales que los (o la mayoría) que se encuentran en el modelo estándar. Los más fundamentales de estos normalmente se denominan preones, que se derivan de "pre-quarks". En esencia, la teoría del preón trata de hacer por el Modelo Estándar lo que el Modelo Estándar hizo por el zoológico de partículas que lo precedió. La mayoría de los modelos asumen que casi todo en el Modelo Estándar se puede explicar en términos de tres a seis partículas fundamentales más y las reglas que gobiernan sus interacciones. El interés por los preones ha disminuido desde que se descartaron experimentalmente los modelos más simples en la década de 1980.

Teoría del acelerador

Los acelerones son las partículas subatómicas hipotéticas que vinculan integralmente la masa recién descubierta del neutrino con la energía oscura que se supone acelera la expansión del universo.

En esta teoría, los neutrinos están influenciados por una nueva fuerza resultante de sus interacciones con los acelerones, lo que lleva a la energía oscura. La energía oscura resulta cuando el universo trata de separar los neutrinos. Se cree que los acelerones interactúan con la materia con menos frecuencia que con los neutrinos.