Partículas fisicas

física de partículas o física de altas energías es el estudio de las partículas y fuerzas fundamentales que constituyen la materia y la radiación. Las partículas fundamentales del universo se clasifican en el Modelo Estándar como fermiones (partículas de materia) y bosones (partículas portadoras de fuerza). Hay tres generaciones de fermiones, pero la materia ordinaria se forma solo a partir de la primera generación de fermiones. La primera generación consta de quarks arriba y abajo que forman protones y neutrones, y electrones y neutrinos electrónicos. Las tres interacciones fundamentales que se sabe que están mediadas por los bosones son el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte.

Los quarks no pueden existir por sí solos, sino que forman hadrones. Los hadrones que contienen un número impar de quarks se denominan bariones y los que contienen un número par se denominan mesones. Dos bariones, el protón y el neutrón, constituyen la mayor parte de la masa de la materia ordinaria. Los mesones son inestables y los más longevos duran solo unas pocas centésimas de microsegundo. Ocurren después de colisiones entre partículas hechas de quarks, como protones y neutrones que se mueven rápidamente en los rayos cósmicos. Los mesones también se producen en ciclotrones u otros aceleradores de partículas.

Las partículas tienen antipartículas correspondientes con la misma masa pero con cargas eléctricas opuestas. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón (también conocido como antielectrón). El electrón tiene carga eléctrica negativa, el positrón tiene carga positiva. Estas antipartículas pueden teóricamente formar una forma correspondiente de materia llamada antimateria. Algunas partículas, como el fotón, son su propia antipartícula.

Estas partículas elementales son excitaciones de los campos cuánticos que también gobiernan sus interacciones. La teoría dominante que explica estas partículas y campos fundamentales, junto con su dinámica, se llama Modelo Estándar. La reconciliación de la gravedad con la teoría actual de la física de partículas no está resuelta; muchas teorías han abordado este problema, como la gravedad cuántica de bucles, la teoría de cuerdas y la teoría de la supersimetría.

La física práctica de partículas es el estudio de estas partículas en procesos radiactivos y en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones. La física teórica de partículas es el estudio de estas partículas en el contexto de la cosmología y la teoría cuántica. Los dos están estrechamente interrelacionados: el bosón de Higgs fue postulado por físicos teóricos de partículas y su presencia fue confirmada por experimentos prácticos.

Historia

Los experimentos Geiger-Marsden observaron que una pequeña fracción de las partículas alfa experimentó una fuerte deflexión cuando fue golpeada por la lámina de oro.

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 atomos que 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 la física nuclear y la física cuántica de principios del siglo XX condujeron a pruebas de fisión nuclear en 1939 por parte de 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.

Durante 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". Descubrimientos importantes como la violación de CP por parte de James Cronin y Val Fitch trajeron nuevas preguntas sobre el desequilibrio entre materia y antimateria. 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 estándar

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, bosones W−, W+ y Z, 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.

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.

Partículas subatómicas

La investigación de la física de partículas moderna 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, formadas por 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. Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi en su totalidad mediante el modelo estándar.

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 están compuestas de otras partículas.

Quarks y leptones

Un diagrama Feynman de la desintegración β, mostrando un neutron (n, udd) convertido en un protón (p, udu). "u" y "d" son los quarks arriba y abajo, "
e⁻
"es el electrón, y "
.
_e"es el electron antineutrino.

La materia ordinaria está formada por quarks de primera generación (arriba, abajo) y leptones (electrón, neutrino electrónico). En conjunto, los quarks y los leptones se denominan fermiones porque tienen un espín cuántico de semienteros (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Esto hace que los fermiones obedezcan el principio de exclusión de Pauli, donde dos partículas no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los quarks tienen carga eléctrica elemental fraccionaria (-1/3 o 2/3) y los leptones tienen carga eléctrica entera (0 o 1). Los quarks también tienen carga de color, que se etiqueta arbitrariamente sin correlación con el color de la luz real como rojo, verde y azul. Debido a que las interacciones entre los quarks almacenan energía que puede convertirse en otras partículas cuando los quarks están lo suficientemente separados, los quarks no se pueden observar de forma independiente. Esto se llama confinamiento de color.

Hay tres generaciones conocidas de quarks (arriba y abajo, extraño y encantador, arriba y abajo) y leptones (electrón y su neutrino, muón y su neutrino, tau y su neutrino), con fuerte evidencia indirecta de que la cuarta generación de fermiones no existe.

Bosones

Los bosones son los mediadores o portadores de interacciones fundamentales, como el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte. El electromagnetismo está mediado por el fotón, los cuantos de luz. La interacción débil está mediada por los bosones W y Z. La fuerte interacción está mediada por el gluón, que puede unir los quarks para formar partículas compuestas. Debido al confinamiento de color antes mencionado, los gluones nunca se observan de forma independiente. El bosón de Higgs da masa a los bosones W y Z a través del mecanismo de Higgs: se espera que el gluón y el fotón no tengan masa. Todos los bosones tienen un espín cuántico entero (0 y 1) y pueden tener el mismo estado cuántico.

Antipartículas y carga de color

La mayoría de las partículas antes mencionadas tienen antipartículas correspondientes, que componen la antimateria. Las partículas normales tienen números de leptones o bariones positivos, y las antipartículas tienen estos números negativos. La mayoría de las propiedades de las antipartículas y partículas correspondientes son las mismas, con algunas invertidas; la antipartícula del electrón, el positrón, tiene una carga opuesta. Para diferenciar entre antipartículas y partículas, se agrega un signo más o negativo en superíndice. Por ejemplo, el electrón y el positrón se denotan
e⁻
y
e⁺
. Cuando una partícula y una antipartícula interactúan entre sí, se aniquilan y se convierten en otras partículas. Algunas partículas no tienen antipartículas, como el fotón o el gluón.

Los quarks y los gluones también tienen cargas de color, lo que influye en la fuerte interacción. Las cargas de color de los quarks se denominan rojo, verde y azul (aunque la partícula en sí no tiene color físico), y en los antiquarks se denominan antirojo, antiverde y antiazul. El gluón puede tener ocho cargas de color, que son el resultado de los quarks' interacciones para formar partículas compuestas (simetría de calibre SU (3)).

Compuesto

Un protón consta de dos quarks arriba y un quark abajo, unidos por gluones. La carga de color de los quarks también es visible.

Los neutrones y protones en los núcleos atómicos son bariones: el neutrón se compone de dos quarks down y un quark up, y el protón se compone de dos quarks up y un quark down. Un barión se compone de tres quarks y un mesón se compone de dos quarks (uno normal, uno anti). Los bariones y los mesones se denominan colectivamente hadrones. Los quarks dentro de los hadrones se rigen por la interacción fuerte, por lo que están sujetos a la cromodinámica cuántica (cargas de color). Los quarks acotados deben tener su carga de color para ser neutrales o 'blancos'. por analogía con la mezcla de los colores primarios. Los hadrones más exóticos pueden tener otros tipos, disposición o número de quarks (tetraquark, pentaquark).

Un átomo normal está formado por protones, neutrones y electrones. Al modificar las partículas dentro de un átomo normal, se pueden formar átomos exóticos. Un ejemplo sencillo sería el hidrógeno-4.1, que tiene uno de sus electrones sustituido por un muón.

Hipotética

El gravitón es una partícula hipotética que puede mediar en la interacción gravitatoria, pero no ha sido detectada ni reconciliada completamente con las teorías actuales.

Laboratorios experimentales

Fermi National Accelerator Laboratory, USA

Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:

• Brookhaven National Laboratory (Long Island, Estados Unidos). Su instalación principal es el Collider de Hiones Pesados Relativistas (RHIC), que colisiona iones pesados como iones de oro y protones polarizados. Es el primer colisionador de iones pesado del mundo, y el único colider de protones polarizado del mundo.
• Budker Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk, Rusia). Sus principales proyectos son ahora los colideres electron-positron VEPP-2000, operados desde 2006, y VEPP-4, iniciados experimentos en 1994. Las instalaciones anteriores incluyen el primer colider de haz electron-electrono-beam VEP-1, que realizó experimentos de 1964 a 1968; los colideres electron-positron VEPP-2, operados de 1965 a 1974; y, su sucesor VEPP-2M, realizó experimentos de 1974 a 2000.
• CERN (European Organization for Nuclear Research) (Franco-Swiss border, near Geneva). Su proyecto principal es ahora el Gran Colider de Hadrones (LHC), que tuvo su primera circulación de haz el 10 de septiembre de 2008, y ahora es el colider más energético del mundo de protones. También se convirtió en el colisionador más energético de iones pesados después de que comenzó a colisionar iones de plomo. Las instalaciones anteriores incluyen el Gran Electron-Positron Collider (LEP), que fue detenido el 2 de noviembre de 2000 y luego desmantelado para dar paso a LHC; y el Super Proton Synchrotron, que se está reutilizando como pre-acelerador para el LHC y para experimentos de objetivo fijo.
• DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Hamburg, Alemania). Su principal instalación fue el Anlage de Anillo de Anillo de Anillo de Anillo de Hadron Elektron (HERA), que collided electrons and positrons with protons. El complejo acelerador se centra ahora en la producción de radiación sincrotron con PETRA III, FLASH y el XFEL europeo.
• Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) (Batavia, Estados Unidos). Su instalación principal hasta 2011 fue el Tevatron, que collided protons y antiprotones y fue el collider de partículas de más alta energía en la tierra hasta que el Gran Colider de Hadrones lo superó el 29 de noviembre de 2009.
• Institute of High Energy Physics (IHEP) (Beijing, China). IHEP administra una serie de principales instalaciones de física de partículas de China, incluyendo el Pekín Electron-Positron Collider II (BEPC II), el Espectrómetro de Pekín (BES), el Pekín Synchrotron Radiation Facility (BSRF), el Observatorio Internacional del Cósmico-Rayo en Yangbajing en Tíbet, el Experimento de Neutrino de Reactor de Dayactor de Neutrino, la Fuente de Spallación China
• KEK (Tsukuba, Japón). Es el hogar de una serie de experimentos como el experimento K2K, un experimento de oscilación neutrino y Belle II, un experimento que mide la violación CP de los mesons B.
• SLAC National Accelerator Laboratory (Menlo Park, Estados Unidos). Su acelerador de partículas lineales de 2 millas de largo comenzó a funcionar en 1962 y fue la base de numerosos experimentos de colisión de electrones y positrones hasta 2008. Desde entonces el acelerador lineal está siendo utilizado para el láser de rayos X Linac Coherent Light Source, así como la investigación avanzada de diseño de acelerador. El personal de la SLAC sigue participando en el desarrollo y construcción de muchos detectores de partículas en todo el mundo.

Teoría

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 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.

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, lo que ilustra una lista larga y creciente de aplicaciones prácticas beneficiosas con contribuciones de la física de partículas.

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.

Hay importantes experimentos sin colisionadores que intentan encontrar y comprender la física más allá del modelo estándar. Uno es la determinación de las masas de los neutrinos, ya que estas masas pueden surgir de la mezcla de neutrinos con partículas muy pesadas. Otro son las observaciones cosmológicas que brindan restricciones 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.