Partículas fisicas

La física de partículas o física subatómica es la rama de la física que estudia los constituyentes elementales del material y la radiación , así como sus interacciones . A veces también se le llama física de alta energía porque muchas partículas elementales e inestables no existen de forma natural y solo pueden detectarse durante colisiones de alta energía entre partículas estables en aceleradores de partículas .

El descubrimiento del bosón de Higgs permitió el consenso y la actualización en 2014 de la tabla de componentes de la materia que se había establecido en 2005 con motivo del año mundial de la física.

Histórico

La idea de que la materia está compuesta de partículas elementales fechas al menos desde el VI º siglo aC. AD . En ese momento, se basó básicamente en la incapacidad de dominar la noción de continuo : vea las paradojas de Zenón de Elea .

La doctrina filosófica del atomismo fue estudiada por filósofos griegos , como Leucipo , Demócrito y Epicuro . Aunque en el XVII ° siglo , Isaac Newton había pensado que la materia se compone de partículas, John Dalton , quien, en 1802 , enunció formalmente que todo está hecho de átomos minúsculos. Esta hipótesis no se volvió realmente científica hasta que supimos cómo estimar el tamaño de los átomos (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin )

En 1869 , la primera tabla periódica de Mendeleiev permitió consolidar la opinión predominante a lo largo del XIX ° siglo que la materia estaba compuesta de átomos.

El trabajo de Thomson estableció que los átomos están formados por electrones ligeros y protones masivos. Rutherford establece que los protones se concentran en un núcleo compacto. Inicialmente, se pensó que el núcleo consistía solo en protones y electrones confinados (para explicar la diferencia entre carga y número de masa ), pero más tarde resultó estar hecho de protones y neutrones.

En el XX ° siglo, los avances en física nuclear física y la cuántica, con la evidencia espectacular de la fisión nuclear y la fusión nuclear , dio a luz a una industria capaz de producir un átomo de otro, incluso haciendo posible (pero no es económicamente rentable) la transmutación de plomo en oro .

A lo largo de las décadas de 1950 y 1960 , se encontró una asombrosa variedad de partículas en experimentos de colisión: un "zoológico de partículas" (ver historia). Esta expresión perdió su atractivo después de la formulación del Modelo Estándar en la década de 1970 , porque se podría pensar que el gran número de estas partículas es el resultado de combinaciones de un número relativamente pequeño de partículas fundamentales, aunque el cálculo de las propiedades de las partículas compuestas . todavía está en su infancia, y que los muchos parámetros del Modelo Estándar no han encontrado una explicación satisfactoria para sus valores.

Las fechas principales

1873 : Maxwell realiza importantes investigaciones en cuatro áreas: visión del color, teoría molecular, electricidad y magnetismo. Consigue unificar los dos últimos mediante una única teoría, el electromagnetismo . Esta teoría de Maxwell permite describir la propagación de ondas de luz en el vacío y predecir un espectro de frecuencias teóricamente ilimitado.
1874 : George Stoney desarrolla la teoría del electrón y estima su masa.
1895 : Röntgen descubre los rayos X .
1896 : Becquerel descubre la radiactividad del uranio .
1897 : Thomson descubre el electrón y crea un modelo donde el átomo se describe como una entidad de carga neutra (que contiene un núcleo positivo con pequeños electrones negativos).
1898 : Marie y Pierre Curie separan los elementos radiactivos.
1900 : Planck , para interpretar las variaciones de color de un cuerpo incandescente en función de la temperatura, y resolver ciertos problemas matemáticos vinculados a este problema, plantea un artificio: la radiación se cuantifica (para cada frecuencia, es emitida por paquetes de energía, valor o cuanto, según la frecuencia).
1905 : Einstein propone que un cuanto de luz, que en 1926 se denominará "fotón", se comporta como una partícula. Las otras teorías de Einstein explican la equivalencia de masa y energía, la dualidad onda-partícula de los fotones, el principio de equivalencia y la relatividad especial .
1909 : Hans Geiger y Ernest Marsden , bajo la responsabilidad de Rutherford, envían partículas alfa a una fina lámina de oro y, a veces, observan grandes ángulos de dispersión, lo que sugiere la existencia de un núcleo pequeño y denso cargado positivamente (la colisión es rara) dentro del átomo. .
1911 : Rutherford concluye que el núcleo existe como resultado del experimento de dispersión alfa realizado por Geiger y Marsden.
1913 : Bohr construye la teoría de la estructura atómica basada en supuestos cuánticos.
1919 : Rutherford prueba la existencia del protón.
1921 : Chadwick y ES Bieler concluyen que una fuerza de gran intensidad mantiene unido el núcleo, a pesar de la repulsión electrostática de Coulomb entre protones.
1923 : Compton descubre la naturaleza cuántica (partícula) de los rayos X , lo que confirma que los fotones son partículas.
1924 : de Broglie propone propiedades ondulatorias para las partículas que forman la materia.
1925 : Pauli formula el principio de exclusión de los electrones dentro de un átomo. W. Bothe y Geiger demuestran que la energía y la masa se conservan en los procesos atómicos.
1926 : Schrödinger desarrolla la mecánica de ondas , que describe el comportamiento de los sistemas cuánticos para los bosones . Born ofrece una interpretación probabilística de la mecánica cuántica. Lewis propone el nombre de fotón para el cuanto de luz.
1927 : Descubrimiento de la desintegración β .
1928 : Dirac propone su ecuación de onda relativista para el electrón .
1930 : Pauli sugiere la existencia de un neutrino invisible, para interpretar la aparente desaparición de la energía en la desintegración β .
1930 : Partículas elementales, incluido el electrón, el protón , el neutrón (en el núcleo), el neutrino en desintegración β , el fotón , cuanto de campo electromagnético.
1931 : Descubrimiento del positrón ( Anderson ). Dirac descubre que el positrón también se describe mediante su ecuación. ${\ Displaystyle e ^ {+}}$
1932 : James Chadwick descubre el neutrón . $no$
1933 / 34 : Fermi fórmula su teoría de la desintegración β ( interacción débil ): Ex. . ${\ Displaystyle n \ ap + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}$
1935 : Yukawa formula su hipótesis sobre los mesones : la fuerza nuclear se debe al intercambio de partículas masivas, mesones.
1937 : Descubrimiento del leptón µ . Aunque tiene aproximadamente la masa esperada para el mesón Yukawa, no tiene interacciones lo suficientemente fuertes con la materia para desempeñar este papel.
1938 : Declaración de la ley de conservación del número bariónico .
1.946 mil / 1,947 : Descubrimiento de mesón cargado , el pasador ( Powell ), predicho en 1935. El es producido por β desintegración: . ${\ Displaystyle \ pi ^ {\ pm}}$ $\ mu$ ${\ Displaystyle \ pi ^ {+} \ to \ mu ^ {+} + \ nu _ {\ mu}}$
1.946 / 1950 : Teoría cuántica del electromagnetismo (QED) ( Feynman , Schwinger y Tomonaga ).
1948 : Producción artificial de . ${\ Displaystyle \ pi ^ {+}}$
1949 : Descubrimiento de . ${\ Displaystyle K ^ {+}}$
1950 : Descubrimiento del pion neutral . ${\ Displaystyle \ pi ^ {0} \ to \ gamma + \ gamma}$
1951 : Descubrimiento de los eventos " V ": desintegración de partículas y una vida media "extrañamente" larga. Esto se interpreta en términos de un nuevo número cuántico , la "extrañeza", conservada por interacciones fuertes y electromagnéticas. ${\ Displaystyle K ^ {0}}$ ${\ Displaystyle \ Lambda}$
1952 : Descubrimiento de Δ (estado excitado del nucleón ).
1954 : Yang y Mills proponen teorías de gauge no abelianas.
1955 : Descubrimiento del antiprotón ( Chamberlain y Segrè ). ${\ displaystyle {\ bar {p}}}$
1956 : Lee y Yang sugieren que la fuerza débil puede causar una violación de la paridad .
1956 : Descubrimiento de la violación de la paridad en átomos de 60 Co por Chien-Shiung Wu y Amber .
1960 / 1970 : El descubrimiento de cientos de partículas "elementales" ${\ Displaystyle (\ rho, ~ \ omega, ~ K ^ {\ ast}, ~ \ Sigma, ~ \ Xi, ~ \ ldots)}$
1961 : Murray Gell-Mann propone el “camino óctuple” SU (3) para clasificar todas estas partículas.
1962 : Descubrimiento de los dos neutrinos y . ${\ Displaystyle \ nu _ {\ mu}}$ ${\ Displaystyle \ nu _ {e}}$
1964 : Existencia de quarks y (postulado por Gell-Mann y Zweig ), constituyentes que podrían ser la base de clasificación por SU (3). ${\ Displaystyle u, ~ d}$ $s$
1964 : Un nuevo quark , se sugiere. ${\ Displaystyle c}$
1964 : Descubrimiento de violación de CP en sistemas por Cronin , Fitch , Christenson y Turlay . ${\ displaystyle K ^ {0} - {\ bar {K}} ^ {0}}$
1965 : Se propone el número cuántico de color: todas las partículas observadas son de color neutro. Por eso no podemos observar quarks de colores.
1967 : Glashow , Salam y Weinberg proponen un esquema de unificación de fuerzas electromagnéticas y débiles. Predicción de la existencia del bosón de Higgs y bosones pesados , y decenas de veces más masivo que las partículas elementales conocidas hasta la fecha. ${\ Displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ Displaystyle W ^ {\ pm}}$
1968 - 1969 : SLAC detecta una estructura puntual del nucleón.
1973 : Declaración de la teoría de las interacciones fuertes entre partículas coloreadas (QCD). Predicción de la existencia de gluones .
1973 : Postulación de la libertad asintótica .
1974 : Descubrimiento de partículas que contienen un quark encantado , en la Universidad de Stanford y Brookhaven .J/ψ{\ Displaystyle J / \ psi} ${\ Displaystyle c}$
1976 : Descubrimiento de un tercer leptón cargado, el . ${\ Displaystyle \ tau ^ {-}}$
1976 : Descubrimiento del mesón encantado y confirmación de la existencia del quark . ${\ Displaystyle D ^ {0}}$ ${\ Displaystyle c}$
1978 : Descubrimiento de un quinto quark, el fondo , en Fermilab . ${\ Displaystyle b}$
1979 : Demostración de un gluón en DESY .
1983 : Descubrimiento de y en el CERN . ${\ Displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ Displaystyle W ^ {\ pm}}$
1990 : El estudio de la desintegración de la LEP (CERN) muestra que el número de neutrinos "ligeros" ( GeV ) se limita a 3. ${\ Displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ Displaystyle m \, <\, 45}$
1995 : Descubrimiento de un sexto quark, el top , en Fermilab . $t$
1998 : Prueba de la existencia de neutrinos de masa distinta de cero en el Super-Kamiokande .
2012 : Los experimentos ATLAS y CMS en el LHC del CERN descubren un bosón que se asemeja al bosón de Higgs con una masa de 126 GeV / c 2 dentro de una unidad.

Clasificación de partículas subatómicas

Las partículas elementales se pueden clasificar en diferentes subcategorías según sus propiedades.

Leptones , hadrones y quarks

Leptones

Los leptones (del griego leptos, livianos, llamados así porque sus masas son relativamente pequeñas) se caracterizan por las siguientes propiedades:

Falta de interacción fuerte (no usan color ).
Cargas eléctricas enteras (múltiplos de la carga del electrón).
Carga "débil" agrupándolos en pares llamados dobletes de interacción débil .
Obediencia a la estadística de Fermi-Dirac (estos son fermiones ).

Los tres pares, familias o generaciones de leptones conocidos son:

${\ Displaystyle e ~ - ~ \ nu _ {e}}$ (el electrón y su neutrino)
${\ Displaystyle \ mu ~ - ~ \ nu _ {\ mu}}$ (el muón y su neutrino)
${\ Displaystyle \ tau ~ - ~ \ nu _ {\ tau}}$ (la tau y su neutrino)

Hadrones

Los hadrones (del griego hadros , "grande, grueso") se caracterizan por las siguientes propiedades:

Presencia de interacción fuerte (llamada "residual" para distinguirla de la interacción de color fuerte que une quarks y gluones).
Cargas eléctricas enteras (múltiplos de la carga del electrón).
Interacciones débiles.
Constitución de quarks.

Por tanto, los hadrones no son partículas fundamentales, sino estados ligados de quarks. Hay más de 200. Se pueden clasificar en dos grupos: bariones , (del griego barus , pesado) al que asociamos un número cuántico especial (el número bariónico), compuesto fundamentalmente por tres quarks, y mesones, (del griego mesos , "medio") responsable de fuertes interacciones "residuales" entre hadrones, y a los que se les da el número bariónico 0, porque están compuestos por un quark y un antiquark.

Aquí están los hadrones más frecuentemente observados (bariones de espín 1/2, mesones de espín 0 y bariones de espín 3/2): en estas figuras, el eje vertical, orientado hacia abajo, da la extrañeza S , el eje horizontal I 3 el componente isospin, y el eje oblicuo Q la carga eléctrica; las partículas están representadas por círculos rosas y sus símbolos aparecen al lado; los círculos divididos en dos representan las dos partículas indicadas en el lado opuesto, que difieren en varias propiedades, en particular su masa, no mostrada en estos diagramas. Finalmente, el contenido del quark principal se indica dentro de cada círculo:

Girar 1/2 bariones

"Byte" de 8 bariones bastante similares. Esto corresponde a las propiedades de simetría entre los quarks componentes, reflejándose en particular en la diferencia de masa entre los dos elementos centrales Λ 0 y Σ 0 .

Byte bariónico ( giro 1/2 )

Extrañeza 0	${\ Displaystyle n, ~ p}$	neutrones y protones (nucleones)
Extrañeza 1	${\ Displaystyle \ Sigma ^ {-}, ~ \ Sigma ^ {0}, ~ \ Sigma ^ {+}}$	3 Sigma
Extrañeza -1	${\ Displaystyle \ Lambda ^ {0}}$	1 Lambda
Extrañeza 2	${\ Displaystyle \ Xi ^ {-}, ~ \ Xi ^ {0}}$	2 Xi

Mesones de giro 0

Este "nonet" de 9 mesones bastante similares se divide en un "byte" de 8 y un "singlete".

Ninguno de mesones ( giro 0 )

Extrañeza -1	${\ Displaystyle K ^ {0}, ~ K ^ {+}}$	2 kaones
Extrañeza 0	${\ Displaystyle \ pi ^ {-}, ~ \ pi ^ {0}, ~ \ pi ^ {+}}$	3 peones
Extrañeza 0	$\ eta$	2 estados
Extrañeza +1	${\ displaystyle K ^ {-}, ~ {\ bar {K}} ^ {0}}$	2 anti-kaones

Spin bariones 3/2

Aquí, la simetría entre los miembros del decuplet es más llamativa: el eje de la carga eléctrica Q corresponde, salvo una constante, al número de quarks u , el de la extrañeza S al número de quarks s , y el tercero eje, no trazado, bisectriz entre los dos precedentes, el número de quarks d .

Decuplet bariónico ( giro 3/2 )

Extrañeza 0	${\ Displaystyle \ Delta ^ {-}, ~ \ Delta ^ {0}, ~ \ Delta ^ {+}, ~ \ Delta ^ {++}}$	4 Delta
Extrañeza 1	${\ Displaystyle \ Sigma ^ {* -}, ~ \ Sigma ^ {* 0}, ~ \ Sigma ^ {* +}}$	3 Sigma emocionado
Extrañeza 2	${\ Displaystyle \ Xi ^ {* -}, ~ \ Xi ^ {* 0}}$	2 Xi emocionado
Extrañeza 3	${\ Displaystyle \ Omega ^ {-}}$	1 Omega

Quarks

Los quarks son las partículas fundamentales que forman las partículas observadas.

Interactúan fuertemente (sujetos a una fuerte interacción)
Llevan cargas eléctricas fraccionadas.
Tienen una carga baja y forman dobletes de interacción débiles.
También se asocian con una carga de color (3 colores posibles, son tripletes) por la que sufren una fuerte interacción.
Obedecen la estadística de Fermi-Dirac (son fermiones ).

Hay seis tipos o sabores de quarks: arriba , abajo , extraño , encanto , arriba y abajo (o verdad y belleza por razones históricas). Al igual que los leptones, se pueden agrupar en dobletes que son copias al carbón, excepto por sus masas.

Clasificación de quarks

Quarks		Antiquarks
Q = 2/3	Q = −1/3	Q = -2/3	Q = 1/3
$\ mathbf {u}$ (arriba)	$\ mathbf {d}$ (abajo)	$\ mathbf {\ bar {u}}$ (anti-up)	$\ mathbf {\ bar {d}}$ (anti-abajo)
$\ mathbf {c}$ (encanto)	$\ mathbf {s}$ (extraño)	$\ mathbf {\ bar {c}}$ (anti-encanto)	$\ mathbf {\ bar {s}}$ (anti-extraño)
$\ mathbf {t}$ (cima)	$\ mathbf {b}$ (fondo)	$\ mathbf {\ bar {t}}$ (anti-top)	$\ mathbf {\ bar {b}}$ (anti-fondo)

En general, se sospecha que las familias de quarks y leptones están emparentadas; hay tres de cada uno. En 2007, parece que solo los argumentos de simetría apoyan esta afirmación.

Gluones

Los gluones son las partículas fundamentales que mantienen los hadrones uniendo los quarks.

Interactúan fuertemente (portadores de la interacción fuerte)
Son eléctricamente neutrales.
No tienen una interacción débil.
También están asociados con una carga de color (8 colores posibles, es un byte) y, por lo tanto, sufren una fuerte interacción.
Obedecen la estadística de Bose-Einstein (son bosones ).

Solo hay ocho gluones, que interactúan con todos los tipos o sabores de quarks, pero también entre sí, ya que ellos mismos están coloreados. Esto hace que los cálculos sean matemáticamente muy complicados, de ahí el hecho de que el progreso en la arquitectura de partículas sea muy lento, aunque la teoría es conocida formalmente.

Debido a la intensidad de la interacción fuerte, los quarks y gluones, al estar coloreados, sufren un confinamiento de color , lo que significa que no se pueden observar de forma aislada. Solo las combinaciones donde todos los colores se compensan entre sí (combinaciones de blancos ) pueden constituir hadrones libres.

Existencia de tres familias

El conjunto de partículas elementales parece poder dividirse en tres familias (este número de tres es un parámetro fundamental del modelo estándar , que no debe confundirse con el número de colores que llevan los quarks, otro parámetro fundamental):

Bosones y fermiones

La mecánica cuántica introduce la noción de momento angular intrínseco de una partícula, el espín . Puede tomar valores que sean múltiplos de . También determina el tipo de estadística a la que se somete la partícula. ${\ Displaystyle \ hbar / 2 = h / 4 \ pi}$

Bosones : Son partículas de espín entero ( ), que obedecen al estadístico de Bose-Einstein , es decir que un sistema de dos bosones idénticos, designados por los índices 1 y 2, se describe mediante una función onda simétrica bajo intercambio de las partículas: . ${\ Displaystyle 0, ~ \ hbar, ~ 2 \ hbar, ~ 3 \ hbar, ~ \ ldots}$ ${\ Displaystyle \ psi _ {12} = + \ psi _ {21}}$

Fermiones : Son partículas de espín medio entero ( ) que obedecen al estadístico de Fermi-Dirac , es decir, un sistema de dos fermiones idénticos, designados por los índices 1 y 2, se describe por una función de onda que es antisimétrica bajo el intercambio de partículas: . En particular, dos fermiones no pueden estar en el mismo estado, de lo contrario esta relación muestra que su función de onda sería cero, lo cual es absurdo ( principio de exclusión de Pauli ). ${\ Displaystyle \ hbar / 2, ~ 3 \ hbar / 2, ~ 5 \ hbar / 2, ~ \ ldots}$ ${\ Displaystyle \ psi _ {12} = - \ psi _ {21}}$

Partículas y antipartículas

La noción de antipartícula fue propuesta por Paul Dirac en 1928 . Algunas soluciones de la ecuación que lleva su nombre parecen tener energía negativa. Dirac interpretó estas soluciones de la siguiente manera: de hecho, el espacio vacío es el conjunto de todas estas soluciones. Si uno lleva suficiente energía a una parte del vacío representado por una de estas soluciones, se convierte en una solución de energía positiva y deja su lugar vacante. El hueco dejado vacante por esta solución de energía positiva aparece como una partícula de energía negativa, y cuyas propiedades (carga eléctrica, por ejemplo) son opuestas a las de las soluciones normales. A esto se le llama antipartícula.

Por tanto, una antipartícula se caracteriza por:

una carga y números cuánticos opuestos a los de la partícula asociada;
una masa y un tiempo de vida idénticos a los de la partícula correspondiente.

Por convención, la antipartícula se designa con una barra superior, que solo es útil si no se puede distinguir por su carga. Por ejemplo, podríamos escribir: ${\ Displaystyle {\ overline {e ^ {-}}} ~ = ~ {\ bar {e}} \, ^ {+} ~ = ~ e ^ {+}}$

Interacciones y campos

La mecánica clásica y la teoría cuántica de campos tienen diferentes enfoques cuando se trata de escribir interacciones.

En la mecánica clásica, cuando hay un campo producido por una partícula 1 en la posición de la partícula 2, esta última interactúa con el valor de este campo.
En la teoría cuántica de campos, la interacción se interpreta como un intercambio de cuantos. Obedece las leyes de conservación de los números cuánticos y el cuadrimomento. Esto obedece a la ecuación de onda dentro de los límites del principio de incertidumbre de Heisenberg :

${\ Displaystyle \ Delta E \ times \ Delta t \,> \, \ hbar}$ y ${\ Displaystyle \ Delta x \ times \ Delta p \,> \, \ hbar}$

Los estados transitorios se denominan "virtuales", por ejemplo, un fotón virtual puede tener un cuadripulso tal que : si es limitado, entonces la energía solo se conserva dentro de las desviaciones . ${\ Displaystyle p ^ {2} \ neq 0}$ $\ Delta t$ ${\ Displaystyle \ Delta E ~ \ sim ~ \ hbar / \ Delta t}$

Interacción electromagnética

La interacción electromagnética se caracteriza por las siguientes propiedades:

poner en juego partículas cargadas eléctricamente;
acoplamiento ; ${\ Displaystyle \ alpha = e ^ {2} / 4 \ pi \ hbar c \ epsilon _ {0} \ aproximadamente 1/137}$
tiempo de interacción y / o vidas medias típicas de ≈ 10 −20 s ;
secciones transversales típicas de ≈ 10 −33 m 2 ;
intercambio de fotones ( ); $\gama$
${\ Displaystyle m _ {\ gamma} = 0}$ , por tanto alcance (consecuencia del principio de incertidumbre). ${\ Displaystyle R ~ = ~ \ infty}$

Interacción débil

Las manifestaciones típicas de interacción débil son:

La desintegración β del neutrón, ej. ; $n \ ap + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}$
Captura de antineutrinos, p. Ej. ; $p + {\ bar {\ nu}} _ {e} \ to n + e ^ {+}$
Las desintegraciones hadrónicas pueden atravesar interacciones débiles, electromagnéticas o fuertes, pero sus características difieren según el modo de desintegración:

Modos de descomposición del hadrón

		Interacciones
		débil ( ) $\ Sigma ^ {-} \ to n + \ pi ^ {-}$	electromagnético ( ) $\ Sigma ^ {0} \ to \ Lambda + \ gamma$	fuerte ( ) $\ Delta ^ {++} \ ap + \ pi ^ {+}$
Reacción	$\ Delta S$	1	0	0
	$\ Delta I$	1/2	1	0
	$\ tau$	10 −10 s	10 -19 s	5 × 10 −24 s

donde es el cambio del número cuántico de extrañeza, el del espín isotópico, y es la vida media o duración de las interacciones. La interacción fuerte debe mantener S e I , la S electromagnética , pero no yo , y la débil tampoco. De ahí la posibilidad de que uno u otro domine el proceso. $\ Delta S$ $\ Delta I$ $\ tau$

Las interacciones débiles se caracterizan por las siguientes propiedades:

poner en juego neutrinos, o quarks que cambian de sabor, es decir partículas con "carga débil";
Acoplamiento bajo (protones anchos) ; $\ alpha _ {\ mathrm {Fermi}} = G_ {F} m_ {p} ^ {2} / 4 \ pi (\ hbar c) ^ {3} \ approx 10 ^ {- 6}$
tiempo de interacción y / o vida media típica de ≈ 10 −8 s ;
sección transversal de ≈ 10 −44 m 2 ;
intercambio de bosones W ± (corrientes cargadas) y Z 0 (corriente neutra);
m W = 80 GeV, por lo tanto, rango R = 10 −18 m (sigue siendo el principio de incertidumbre).

Las interacciones electromagnéticas y débiles (electrodébiles) se unifican en el modelo de Glashow - Weinberg - Salam ( 1967 ). Pero a baja energía, la simetría se rompe y las dos fuerzas parecen bastante distintas. Las interacciones débiles implican un acoplamiento débil g W y el intercambio de bosones gauge W ± y Z 0 . Las reacciones débiles se caracterizan por una amplitud de probabilidad de la forma:

Amplitud ≈ g 2 W / (q 2 - M 2 W, Z )

donde q 2 es el cuadrado de los cuatro pulsos transferidos por el intercambio del cuanto.

En el límite q 2 → 0, la teoría de Glashow-Weinberg-Salam se reduce a la teoría de interacciones débiles de Fermi (1935), donde las interacciones que involucran cuatro partículas son ad hoc y la fuerza G de F , la constante de Fermi . $G_ {F} / (\ hbar c) ^ {3} =$ ${\ Displaystyle 1 {,} 1 \ times 10 ^ {- 5} ~ \ mathrm {GeV} ^ {- 2}}$

El modelo de Glashow-Weinberg-Salam tiene la ventaja sobre la teoría de Fermi de ser renormalizable, es decir, de tener un comportamiento computable a alta energía (en las masas de W y Z y superiores).

También es un ejemplo de unificación de fuerzas (débiles y em).

Interacción electrodébil

La interacción electrodébil es la interacción que unifica el electromagnetismo y la interacción débil.

Fuerte interacción

La fuerte interacción es común en las colisiones de hadrones de alta energía. Implica, en el nivel fundamental, las interacciones entre quarks y gluones . Se encuentran, por ejemplo, en la colisión , cuya duración es aproximadamente τ = 10 −23 s . Las interacciones fuertes se caracterizan por las siguientes propiedades: ${\ Displaystyle K ^ {-} + p \ to \ Sigma ^ {0}}$

intercambio de partículas con carga de color (quarks y / o gluones);
acoplamiento muy fuerte: α s ≈ 1;
tiempo de interacción y / o vida media típica de ≈ 10 −23 s ;
sección transversal típica de ≈ 10 −30 m 2 ;
confinamiento de quarks y gluones ;
libertad asintótica ;
Alcance efectivo de R = 10-15 m debido al confinamiento.

Interacción gravitacional

Actualmente no existe una teoría de la gravedad cuántica satisfactoria desde el punto de vista de la fenomenología , aunque la teoría de supercuerdas es un buen candidato ( la gravedad cuántica de bucles, sin embargo, no propone unificar la gravedad con otras interacciones del modelo estándar ). Por el contrario, una teoría cuántica gravitacional debería tener las siguientes características:

involucran todo lo que tiene una masa-energía y que por lo tanto modifica la métrica del espacio-tiempo (tensor energía-momento);
tienen un acoplamiento muy débil a nivel subatómico: el acoplamiento típico entre dos protones es α G = G N m 2 p / 4π = 4.6 × 10 −40 ;
el gravitón , un bosón de interacción de espín 2, corresponde a una fluctuación cuántica de la métrica;
masa cero del gravitón, teniendo la gravitación un rango infinito.

Tabla de resumen

partículas elementales	fermiones	leptones	Cargado	electrón : ${\ Displaystyle e ^ {-}}$
				muon : ${\ Displaystyle \ mu ^ {-}}$
				tauon : ${\ Displaystyle \ tau ^ {-}}$
			Neutrinos	electrónico: ${\ Displaystyle \ nu _ {e}}$
				muonic: ${\ Displaystyle \ nu _ {\ mu}}$
				tauónico: ${\ Displaystyle \ nu _ {\ tau}}$
		quarks	Carga +2/3	arriba: $tu$
				encanto: ${\ Displaystyle c}$
				cima : $t$
			Carga -1/3	abajo: ${\ Displaystyle d}$
				extraño: $s$
				fondo / belleza: ${\ Displaystyle b}$
	bosones	bosones de calibre	Electromagnetismo	fotón : $\gama$
			Interacción débil	Bosón Z : ${\ Displaystyle Z ^ {0}}$
				Bosón W -: ${\ Displaystyle W ^ {-}}$
				Bosón W +: ${\ Displaystyle W ^ {+}}$
			Fuerte interacción	gluón
		bosones hipotéticos / confirmados	Gravitación	graviton
			Inflación	inflaton
			En t. low-el.	bosón de Higgs
partículas compuestas ( hadrones )	bariones ( fermiones )	"Luz"	nucleones	neutrón : $no$
				protón : $pag$
			Otro	Delta: ${\ Displaystyle \ Delta ^ {++} ~ \ ldots ~ \ Delta ^ {-}}$
				...
		hiperones	S = - 1	Lambda: ${\ Displaystyle \ Lambda ^ {0}}$
				Sigma: ${\ Displaystyle \ Sigma ^ {+}, \, \ Sigma ^ {0}, \, \ Sigma ^ {-}}$
			S = - 2	Xi: ${\ Displaystyle \ Xi ^ {0}, \, \ Xi ^ {-}}$
			S = - 3	Omega: ${\ Displaystyle \ Omega ^ {-}}$
		bariones encantados C = 1	S = 0	Lambda-C: ${\ Displaystyle \ Lambda _ {c} ^ {+}}$
				Sigma-C: ${\ Displaystyle \ Sigma _ {c} ^ {++}, \, \ Sigma _ {c} ^ {+}, \, \ Sigma _ {c} ^ {0}}$
			S = 1	Xi-C: ${\ Displaystyle \ Xi _ {c} ^ {+}, \, \ Xi _ {c} ^ {0}}$
			S = 2	Omega-C: ${\ Displaystyle \ Omega _ {c} ^ {0}}$
		Fondo de bariones	B = 1	Lambda-B: ${\ Displaystyle \ Lambda _ {b} ^ {0}}$
	mesones ( bosones )	"Luz"	S = 0	peón : ${\ Displaystyle \ pi ^ {+}, \, \ pi ^ {0}, \, \ pi ^ {-}}$
				eta : ${\ Displaystyle \ eta ^ {0}}$
				rho : ${\ Displaystyle \ rho ^ {+}, \, \ rho ^ {0}, \, \ rho ^ {-}}$
				phi : ${\ Displaystyle \ phi ^ {0} ~ (s {\ bar {s}})}$
			S = 1	kaon : ${\ displaystyle {\ bar {K}} ^ {0} \, (s {\ bar {d}}), ~ K ^ {-} \, (s {\ bar {u}})}$
		Encantado	"Aparente"	Mesón D : ${\ Displaystyle D ^ {+} \, (c {\ bar {d}}), ~ D ^ {0} \, (c {\ bar {u}})}$
			" Oculto "	Mesón J / ψ : ${\ Displaystyle J / \ psi ^ {0} \, (c {\ bar {c}})}$
		Fondo	"Aparente"	Mesón B : ${\ Displaystyle B ^ {0} \, (b {\ bar {d}}), ~ B ^ {-} \, (b {\ bar {u}})}$
			" Oculto "	Mesón upsilon : ${\ Displaystyle \ Upsilon ^ {0} \, (b {\ bar {b}})}$
	y muchos otros ...

Modelo estandar

El estado actual de la clasificación de partículas elementales se denomina " modelo estándar ".

Describe las fuerzas fundamentales : fuerte , débil y electromagnética utilizando bosones mediadores conocidos como bosones gauge . Los bosones gauge son respectivamente los gluones , los bosones W ± y Z y el fotón .

El modelo también contiene 12 partículas fundamentales que son los constituyentes de la materia : la familia de fermiones que consta de quarks , leptones y sus antipartículas.

También predice la existencia de un tipo de bosón conocido como bosón de Higgs .

Principales interacciones con la materia

Dependiendo de su naturaleza y energía, las partículas interactuarán con la materia de diferentes formas. Estas interacciones son las siguientes:

Partículas cargadas

Partículas de luz: electrones, positrones.

Bremsstrahlung (radiación de frenado), dominante por encima de 10 MeV.
Difusión inelástica con átomos (procesión electrónica).
Difusión elástica con los núcleos.
Radiación de Cherenkov .
Reacciones nucleares (contribución baja).

Partículas pesadas: muones, protones, alfa, piones.

Dispersión inelástica con átomos (tipo de interacción dominante).
Difusión elástica con los núcleos: poca energía transferida, porque las partículas son más ligeras que el núcleo.
La denominada difusión paraestática por agregación de la radiación de los núcleos en estado elástico y la interacción dominante del tipo Cherenkov.
Radiación de Cherenkov .
Reacciones nucleares.
Bremsstrahlung .

Partículas descargadas

Fotones

A diferencia de las partículas cargadas que depositan su energía continuamente a lo largo de su camino, las interacciones de los fotones están localizadas.

Cuando atraviesan un medio, los fotones cruzan una cierta distancia sin verse afectados y de repente depositan energía por las siguientes interacciones:

Efecto fotoeléctrico .
Difusión Compton .
Creación de parejas . ${\ Displaystyle e ^ {-} e ^ {+}}$
Reacciones nucleares (contribución baja).

La probabilidad de producir una interacción es constante a lo largo de la trayectoria y, por lo tanto, el número de fotones supervivientes disminuye en series geométricas (exponenciales) a lo largo de la distancia recorrida.

La fracción de fotones que quedan después de haber atravesado una distancia x es e -µx donde µ es el coeficiente de absorción, expresado en cm -1 . Es la suma de los coeficientes de absorción de las diferentes interacciones para los diversos componentes del material.

La absorción se puede parametrizar más convenientemente mediante el coeficiente de atenuación de masa µ / ρ expresado en cm 2 / g , sustancialmente independiente de la densidad ρ del material absorbente, y ya no depende únicamente de su composición.

Neutrones

Difusión elástica ;
Difusión inelástica ;
Captura nuclear ;
Reacciones nucleares : (n, 2n), (n, α), (n, xn), (n, p);
Fisión nuclear .

Neutrinos

interacciones electrodébiles (creación de leptones ). Muy débiles con poca energía, crecen rápidamente en función de la energía.

Producción y detección de partículas

Los estudios de partículas comenzaron con el estudio de la radiación emitida por sustancias radiactivas y con detectores de partículas portátiles o de sobremesa que permiten la detección de varias partículas elementales con TPN . Para detectar otras partículas, debes cambiar el nivel de energía.

En primer lugar, hemos recurrido a la observación de rayos cósmicos en altura para reducir la degradación provocada por atravesar la atmósfera. Esto permitió mejorar sustancialmente los detectores, ya que era necesario aumentar su superficie, teniendo en cuenta el bajo número de rayos cósmicos interesantes. Luego pasamos a la construcción de aceleradores de partículas , proporcionando un haz de partículas homogéneo y bien calibrado cuyo nivel de energía hemos podido aumentar gradualmente. Al mismo tiempo, los detectores han progresado para estudiar las interacciones de las partículas así producidas.

Actualmente, los experimentos de física de partículas son llevados a cabo por equipos en colaboraciones internacionales, que se encargan de construir detectores específicos para el tipo de experimentación deseada, e instalarlos cerca de aceleradores también construidos por poderosas colaboraciones internacionales.

Los principales sitios de aceleradores internacionales son:

el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), ubicado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra . Su equipo principal es el Super Proton Synchrotron , un acelerador circular que sirve al LHC, así como varios experimentos, LEP , un gran colisionador de electrones y positrones ahora desmantelado, así como el LHC , un gran colisionador de protones, establecido. Servicio en septiembre de 2008 en el antiguo túnel de la LEP.
el DESY (DESY), ubicado en Hamburgo , en Alemania . Su principal instalación es HERA, donde se provocan colisiones entre electrones o positrones y protones.
el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), ubicado cerca de Palo Alto , en los Estados Unidos . Su principal instalación es PEP-II (colisiones de electrones y positrones).
el Fermilab o FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), ubicado cerca de Chicago en los Estados Unidos. Su principal instalación es el Tevatron (colisiones de protones y antiprotones).
El Laboratorio Nacional Brookhaven , o BNL, ubicado en Long Island , Estados Unidos. Su principal instalación es el Colisionador de Iones Pesados Relativista , donde se estudian las colisiones entre iones pesados como los iones de oro y los protones.

Existen muchos otros aceleradores de partículas.

Notas y referencias

Nicolas Arnaud, “ ¿Cómo difundir conocimientos, incluso recientes, en física de partículas? ", Dossier pour la science , n o 85,Octubre-diciembre de 2014

Ver también

Bibliografía

Partículas elementales (serie de artículos), Les Dossiers de la Recherche , n ° 23 - mayo-julio de 2006
Jean Iliopoulos, Beyond the standard model, Pour La Science , n ° 361, noviembre de 2007, págs. 90–96
Daniel Vignaud, De neutrinos en neutrinos, Pour La Science , n ° 361, noviembre de 2007, págs. 106–107