Partícula subatómica

En ciencias físicas, una partícula subatómica es una partícula que es más pequeña que un átomo. De acuerdo con el modelo estándar de la física de partículas, una partícula subatómica puede ser una partícula compuesta, que se compone de otras partículas (por ejemplo, un protón, un neutrón o un mesón), o una partícula elemental, que no se compone de otras partículas. (por ejemplo, un electrón, un fotón o un muón). La física de partículas y la física nuclear estudian estas partículas y cómo interactúan.

Los experimentos muestran que la luz podría comportarse como una corriente de partículas (llamadas fotones) y exhibir propiedades similares a las de las ondas. Esto condujo al concepto de dualidad onda-partícula para reflejar que las partículas a escala cuántica se comportan como partículas y ondas (a veces se las describe como ondas para reflejar esto ).

Otro concepto, el principio de incertidumbre, establece que algunas de sus propiedades en conjunto, como su posición y momento simultáneos, no se pueden medir con exactitud. Se ha demostrado que la dualidad onda-partícula se aplica no solo a los fotones sino también a partículas más masivas.

Las interacciones de partículas en el marco de la teoría cuántica de campos se entienden como la creación y aniquilación de cuantos de interacciones fundamentales correspondientes. Esto combina la física de partículas con la teoría de campos.

Incluso entre los físicos de partículas, la definición exacta de una partícula tiene diversas descripciones. Estos intentos profesionales en la definición de una partícula incluyen:

• Una partícula es una función de onda colapsada
• Una partícula es una excitación cuántica de un campo.
• Una partícula es una representación irreducible del grupo de Poincaré
• Una partícula podría ser una cuerda vibrante.
• Una partícula es una cosa medida en un detector.

Clasificación

Por composición

Las partículas subatómicas son "elementales", es decir, no están formadas por muchas otras partículas, o son "compuestas" y están formadas por más de una partícula elemental unida entre sí.

Las partículas elementales del Modelo Estándar son:

• Seis "sabores" de quarks: arriba, abajo, extraño, encantador, inferior y superior;
• Seis tipos de leptones: electrón, neutrino electrónico, muón, neutrino muón, tau, neutrino tau;
• Doce bosones de calibre (portadores de fuerza): el fotón del electromagnetismo, los tres bosones W y Z de la fuerza débil y los ocho gluones de la fuerza fuerte;
• El bosón de Higgs.

Todos estos ahora han sido descubiertos mediante experimentos, siendo el último el quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012).

Varias extensiones del modelo estándar predicen la existencia de una partícula elemental de gravitón y muchas otras partículas elementales, pero hasta 2021 no se ha descubierto ninguna.

Hadrones

Casi todas las partículas compuestas contienen múltiples quarks (y/o antiquarks) unidos por gluones (con algunas excepciones sin quarks, como el positronio y el muonio). Los que contienen pocos (≤ 5) [anti]quarks se denominan hadrones. Debido a una propiedad conocida como confinamiento de color, los quarks nunca se encuentran solos, sino que siempre aparecen en hadrones que contienen varios quarks. Los hadrones se dividen por el número de quarks (incluidos los antiquarks) en los bariones que contienen un número impar de quarks (casi siempre 3), de los cuales el protón y el neutrón (los dos nucleones) son, con diferencia, los más conocidos; y los mesones que contienen un número par de quarks (casi siempre 2, un quark y un antiquark), de los cuales los piones y los kaones son los más conocidos.

Excepto el protón y el neutrón, todos los demás hadrones son inestables y se descomponen en otras partículas en microsegundos o menos. Un protón está formado por dos quarks up y un quark down, mientras que el neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Estos comúnmente se unen en un núcleo atómico, por ejemplo, un núcleo de helio-4 se compone de dos protones y dos neutrones. La mayoría de los hadrones no viven lo suficiente como para unirse en compuestos similares a núcleos; los que lo hacen (aparte del protón y el neutrón) forman núcleos exóticos.

Por estadísticas

Cualquier partícula subatómica, como cualquier partícula en el espacio tridimensional que obedece las leyes de la mecánica cuántica, puede ser un bosón (con espín entero) o un fermión (con espín medio entero impar).

En el Modelo Estándar, todos los fermiones elementales tienen espín 1/2, y se dividen en los quarks que llevan carga de color y por lo tanto sienten la interacción fuerte, y los leptones que no. Los bosones elementales comprenden los bosones de calibre (fotón, W y Z, gluones) con espín 1, mientras que el bosón de Higgs es la única partícula elemental con espín cero.

En teoría, se requiere que el gravitón hipotético tenga giro 2, pero no es parte del modelo estándar. Algunas extensiones, como la supersimetría, predicen partículas elementales adicionales con espín 3/2, pero hasta 2021 no se ha descubierto ninguna.

Debido a las leyes del espín de las partículas compuestas, los bariones (3 quarks) tienen espín 1/2 o 3/2 y, por lo tanto, son fermiones; los mesones (2 quarks) tienen un espín entero de 0 o 1 y, por lo tanto, son bosones.

En masa

En relatividad especial, la energía de una partícula en reposo es igual a su masa por la velocidad de la luz al cuadrado, E = mc . Es decir, la masa se puede expresar en términos de energía y viceversa. Si una partícula tiene un marco de referencia en el que se encuentra en reposo, entonces tiene una masa en reposo positiva y se denomina masiva .

Todas las partículas compuestas son masivas. Los bariones (que significan "pesados") tienden a tener mayor masa que los mesones (que significan "intermedios"), que a su vez tienden a ser más pesados ​​que los leptones (que significan "ligeros"), pero el leptón más pesado (la partícula tau) es más pesado que el dos sabores más ligeros de bariones (nucleones). También es cierto que cualquier partícula con carga eléctrica es masiva.

Cuando se definieron originalmente en la década de 1950, los términos bariones, mesones y leptones se referían a masas; sin embargo, después de que se aceptó el modelo de quarks en la década de 1970, se reconoció que los bariones son compuestos de tres quarks, los mesones son compuestos de un quark y un antiquark, mientras que los leptones son elementales y se definen como fermiones elementales sin carga de color.

Todas las partículas sin masa (partículas cuya masa invariante es cero) son elementales. Estos incluyen el fotón y el gluón, aunque este último no se puede aislar.

por decadencia

La mayoría de las partículas subatómicas no son estables. Todos los leptones, así como los bariones, se descomponen por la fuerza fuerte o la fuerza débil (excepto el protón). No se sabe que los protones se desintegren, aunque se desconoce si son "verdaderamente" estables, ya que algunas Grandes Teorías Unificadas (GUT) muy importantes realmente lo requieren. Los muones μ y τ, así como sus antipartículas, se descomponen por la fuerza débil. Los neutrinos (y los antineutrinos) no se desintegran, pero se cree que existe un fenómeno relacionado de oscilaciones de neutrinos incluso en el vacío. El electrón y su antipartícula, el positrón, son teóricamente estables debido a la conservación de la carga a menos que exista una partícula más ligera que tenga una magnitud de carga eléctrica ≤  e (lo cual es poco probable). Su carga no se muestra todavía.

Otras propiedades

Todas las partículas subatómicas observables tienen su carga eléctrica un múltiplo entero de la carga elemental. Los quarks del modelo estándar tienen cargas eléctricas "no enteras", es decir, múltiplos de ¹ ⁄ ₃  e , pero los quarks (y otras combinaciones con carga eléctrica no entera) no se pueden aislar debido al confinamiento del color. Para bariones, mesones y sus antipartículas, las cargas de los quarks constituyentes se suman a un múltiplo entero de e .

A través del trabajo de Albert Einstein, Satyendra Nath Bose, Louis de Broglie y muchos otros, la teoría científica actual sostiene que todas las partículas también tienen una naturaleza ondulatoria. Esto se ha verificado no solo para partículas elementales sino también para partículas compuestas como átomos e incluso moléculas. De hecho, según las formulaciones tradicionales de la mecánica cuántica no relativista, la dualidad onda-partícula se aplica a todos los objetos, incluso a los macroscópicos; aunque las propiedades ondulatorias de los objetos macroscópicos no pueden detectarse debido a sus pequeñas longitudes de onda.

Las interacciones entre partículas se han examinado durante muchos siglos, y algunas leyes simples sustentan cómo se comportan las partículas en colisiones e interacciones. Las más fundamentales son las leyes de conservación de la energía y conservación del momento, que nos permiten hacer cálculos de interacciones de partículas en escalas de magnitud que van desde estrellas hasta quarks. Estos son los requisitos básicos de la mecánica newtoniana, una serie de declaraciones y ecuaciones en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , publicado originalmente en 1687.

Dividiendo un átomo

El electrón cargado negativamente tiene una masa igual a ¹ ⁄ _{1837 o 1836} de la de un átomo de hidrógeno. El resto de la masa del átomo de hidrógeno proviene del protón cargado positivamente. El número atómico de un elemento es el número de protones en su núcleo. Los neutrones son partículas neutras que tienen una masa ligeramente mayor que la del protón. Diferentes isótopos del mismo elemento contienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. El número de masa de un isótopo es el número total de nucleones (neutrones y protones colectivamente).

La química se ocupa de cómo el intercambio de electrones une los átomos en estructuras como cristales y moléculas. Las partículas subatómicas consideradas importantes en la comprensión de la química son el electrón, el protón y el neutrón. La física nuclear se ocupa de cómo los protones y los neutrones se organizan en los núcleos. El estudio de las partículas subatómicas, los átomos y las moléculas, y su estructura e interacciones, requiere de la mecánica cuántica. El análisis de procesos que cambian el número y tipo de partículas requiere la teoría cuántica de campos. El estudio de las partículas subatómicas per se se denomina física de partículas. El término física de altas energíases casi sinónimo de "física de partículas" ya que la creación de partículas requiere altas energías: ocurre solo como resultado de rayos cósmicos o en aceleradores de partículas. La fenomenología de partículas sistematiza el conocimiento sobre las partículas subatómicas obtenido a partir de estos experimentos.

Historia

El término " partícula subatómica " es en gran parte un retroónimo de la década de 1960, que se utiliza para distinguir una gran cantidad de bariones y mesones (que comprenden hadrones) de partículas que ahora se consideran verdaderamente elementales. Antes de eso, los hadrones generalmente se clasificaban como "elementales" porque se desconocía su composición.