Física de partículas

Física de partículas

La física de partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos. Se conoce a esta rama también como física de altas energías, debido a que a muchas de estas partículas sólo se les puede ver en grandes colisiones provocadas en los aceleradores de partículas.

ÍNDICE

1. Partículas menores que el átomo

1.1. El descubrimiento de partículas más pequeñas que el átomo 1.2. Propiedades de las partículas: masa, cargas y espin 1.3. Partículas elementales: leptones y quarks 1.4. Los hadrones

2. Las interacciones fundamentales

2.1. Justificación de otras interacciones 2.2. Las interacciones en la naturaleza 2.3. Las interacciones nucleares

3. El modelo estándar

3.1. Fermiones y bosones

Stijn-Jan Iñaki van der Ploeg Oñate

3.2. El bosón de Higgs 3.3. El mapa de partículas

4. Interacciones entre partículas

4.1. La interacción y la partícula de intercambio 4.2. La interacción débil y el cambio de sabor 4.3. La interacción fuerte 4.4. Teorías de unificación de las fuerzas fundamentales

5. Cómo se genran y detectan las partí- culas

5.1. Fuentes de partículas 5.2. Acelerador de partículas 5.3. Colisión y generación de nuevas partículas 5.4. Detectores de partículas 5.5 Análisis de datos 5.6. Detectores de partículas no asociados a aceleradores

1. Partículas menores que el átomo

1.1. El descubrimiento de partículas más pequeñas que el átomo

En 1932 hubieron pruebas experimentales que confirmaban la existencia de partículas más pequeñas que el átomo: los electrones, los protones, los neutrones y los fotones Electón: El electrón fue la primera partícula subatómica en ser identificada, descubierta por Sir John Joseph Thomson en 1897. Protón: El protón fue descubierto por el serio rutherford en 1919. esta partícula subatómica se encuentra en el núcleo de los átomos. Neutrón: El neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932. Esta partícula subatómica se encuentra en el núcleo de los átomos.

(Partículas subatómicas)

A partir de 1940 de descubrieron muchas más antiparículas. A medida que se establecián sus caracyterísticas , fue tomando cuerpo la idea de que podían ser combinaciones de otras partículas más elementales

Es aquí cuando Gell-Mann, un físico estadounidense, (1929) propuso una teoría que explicaba la existencia de muchas de las partículas conocidas como más elementales llamadas quarks

1.2. Propiedades de las particulas: masa, carga y espín

Las propiedades de las particulas son la masa, su carga y el momento ángular intríseco o espín.

Se determina el moemnto ángular para caracterizar el movimiento de una partícula en rotación. Así se puede obtener el momento angular orbital del electrón que gira en torno a sí misma.

El espín se suele representar con flechas para indicar que la partícula gira en un sentido u otro.

1.3. Partículas elementales: leptones y quarks

Se clasifican las partículas elementales en as siguientes:

• Leptones: se observan como partículas independientes

• Quarks: no se observan como partículas independientes

Estas son las parículas más básicas que forman la materia. Existen seis leptones y quarks distintos, llamamos sabor a la propiedad que las diferencia.

1.4. Los hadrones

Las agrupaciones de varios quarks se llaman hadrones. Las cracterísticas de cada hadrón dependen de los quarks que lo integran.

Existen dos tipos de hadrones:

• Bariones: son combinaciones de tres quarks o de tres antiquarks.

• Mesones: son combinaciones de dos quarks: un quark y un anntiquark

Protón

Pion π+

• El "color" de los quarks

En 1964 Oscar. Greenberg propuso propuso que los quarks tenían una nueva propiedad llamada carga de color. Los tipos de esta carga de color se indentificaron con los colores primarios. Existen tres colores posibles: azul, rojo y verde. Cada uno de los seis sabores de quarks puede portar uno de los tres colores. Por cada color existe la misma propiedad de signo opuesto, el anticolor (antiazul, antiverde y antirojo). Cada quark porta un color, mientras que un antiquark porta un anticolor.

La teoría de color para los quarks señala que solo son posibles las combinaciones de quarks que dan como resultado una partícula "sin color".

• En los bariones, un quark debe tener carga de color rojo, otro de color verde y otro de color azul.
• Los mesones son una combinación de un quarks y un antiquarks con el anticolor correspondiente. Su suma de un color blanco.

2. Las interacciones fundamentales

2.1. Jutificación de otras interacciones

Si sólo existiesen las interacciones gravitatorias y electromagenticas, sería imposible explicar hechos como la existencia de los átomos. En la naturaleza hay cuatro fuerzas, (también llamadas en Física interacciones o campos) que son responsables de todos los fenómenos en el Universo: la fuerza o interacción gravitacional, la nuclear débil, la electromagnética y la nuclear fuerte.

2.2. Las interacciones en la naturaleza

Materia

Las interacciones se pueden agrupar en cuatro tipos básicos denominados interacciones fundamentales:

Quarks

dsdsdjsdsdsdds

Átomo

shfghsdgdfdsdsfsd

Neutrón

Molécula

INTERACCIÓN GRAVITATORIA

Es la responsable de la interacción entre las partículas con masa y, por extensión, de la configura- ción a escala macroscópica del Universo y de su estabilidad.

• Acción: Actúa sobre todas las partículas que tienen masa no nula. Es de naturaleza atractiva.
• Alcance: Prácticamente infinito.
• Fuerza: Es la más débil. Tomando como unidad la más fuerte de las cuatro, ésta sería 10^-39 veces más débil, aproximadamente.

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Es la responsable de la interacción entre las partículas con carga eléctrica y, por extensión, de todas las reacciones químicas

• Acción: Actúa sobre todas las partículas cargadas eléctricamente. Es de naturaleza atractiva o repulsiva.

• Alcance: Prácticamente infinito.
• Fuerza: 10^-2

INTERACCIÓN NUCLAR FUERTE

INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL

Es la responsable de la desintegración de ciertas partículas inestables, es decir, de aquellos procesos en los que algunas partículas se descomponen en otras más ligeras. Por extensión, es la que origina algunos procesos radiactivos

Es la responsable de la interacción entre las partículas con carga eléctrica y, por extensión, de todas las reacciones químicas.

• Acción: Actúa sobre todas las partículas cargadas eléctricamente. Es de naturaleza atractiva o repulsiva.

• Alcance: Prácticamente infinito.
• Fuerza: 10^-2

• Acción: Actúa sobre las partículas denominadas leptones y quarks.

• Alcance: Menos de 10^-15 cm.
• Fuerza: 10^-5

2.3. Las interacciones nucleares

La intensidad de las interacciones núcleares a largas distancias decae exponencilmente, es en esos casos cuando cobra protagonismo la interacción electromagnética.

Intensidad relativa

La fuerza nuclear fuerte se puede considerar a dos niveles:

hfjksfhjksehfjshfwehgwehgihwfnhjdsfhdskjhdfkjdshgegie

1. Fuerza de color fundamental: Mantiene unidos a los quarks en un hadron. Es una interacción nuclear fuerte fundamnetal

Distancia (m)

2. Fuerza de color residual: Mantiene unidos a los nucleones en un núcleo de un átomo. Es una interacción nuclear fuerte residual.

3. El modelo estándar

3.1. Fermiones y bosones

Las partículas que forman materia se denominan fermiones. Todas tiene spín semientero.

Las partículas medidoras de la fuerza que se manifiestan en cada interacción se llaman bosones. Tienen spín entero.

3.2. El boson de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula fundamental propuesta en el modelo estándar de física de partículas. Recibe su nombre en honor a Peter Higgs, quien, junto con otros, propuso en 1964 el hoy llamado mecanismo de Higgs para explicar el origen de la masa de las partículas elementales. Según el modelo propuesto, no posee espín, carga eléctrica o color, es muy inestable y se desintegra rápidamente: su vida media es del orden del zeptosegundo. En algunas variantes del modelo estándar puede haber varios bosones de Higgs.

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1. Esta es una molécula, todo en el universo existe a partir de estas pequeñas cosas. Una molécula es una combinación de múltiples átomos. 2. Un átomo existe a partir de un núcleo y múltiples electrones. 3. El núcleo de un átomo es una combinación de protones y neutrones. 4. y finalmente, un protón se construye a partir de quarks y gluones. 5. El problema era que nadie sabía por qué estos protones permanecerían juntos en lugar de volar por el espacio a la velocidad de la luz. 6. Había una teoría para este problema, pero tenía que ser probada. Así que los investigadores dejaron que los protones chocaran entre sí. por este choque, pequeñas partículas se volvieron mensurables, estas fueron llamadas bosón de Higgs. 7. El bosón de Higgs crea un campo de energía en el universo que actúa como un jarabe. Los protones se ralentizan y comienzan a coagularse y formar materia.

3.3. Mapa de partículas

El modelo estándar llegó a configurar el mapa de todas las partículas elementales existentes. Comprende:

• Las partículas que forman la materia, partículas reales.

• Las partículas que forman mediadores de las interacciones, partículas virtuales.

• El bosón de Higgs

4. Interacciones entre particulas

El modelo estándar de la fisica se fue configurando como resultado del estudio de las particulas materiales y las transformaciones que experimentaban. Analizando la masa, la carga y otras propiedades de las particulas presentes en una determinada "reacción", se pudo concluir que debian existir nuevas particulas, que luego se detectaron y caracterizaron. Cuando un átomo emite radiación beta, un neutrón de su núcleo se transforma en un protón y emite un electrón. Al hacer el balance energético de las particulas se comprobó que la energía del electrón saliente era menor de la esperada. Esto llevó a pensar que se liberaba una particula adicional de masa muy pequeña y sin carga, a la que se llamó neutrino. Posteriores análisis llevaron a determinar que se trataba del antineutrino electrónico.

Leyes de conservación:

Para que sea posible una ireacción entre partículas deben conservarse

• El conjunto masa-energía
• La carga eléctrica

• El número bariónico
• El número leptónico

4.1. La interacción y la partícula de intercambio

Se puede relacionar una interacción con la particula de intercambio responsable de la misma. Las desintegraciones beta descritas resultan de la interacción débil, y la particula mediadora es un bosón.

Diagramas de Feynman

Los diagramas de Feynman son gráficos que representan las trayectorias de las partículas en las fases intermedias de un proceso de colisión para resolver de manera eficaz los cálculos implicados en dicho proceso, procedentes de la teoría cuántica de campos.

4.2. La interacción débil y el cambio de sabor

La interacción débil es responsable del cambio de sabor de las partículas elementales: cambia un leptón en otro leptón o un quark en otro quark.

4.3. La interacción fuerte

La interacción fuerte solo afecta a quarks. Los leptones no la sienten. Se manifestan de dos maneras:

• Fuerza fuerte fundamental. Mantiene unidos a los quarks con el gluon como partícula de intercambio.
• Fuerza fuerte residual. Mantienen unidos a los nucleones en el núcleo de un átomo con el mesón como partícula de intercambio.

4.4. Teorías de unificación de las fuerzas fundamentales

La teoría de unificación de las fuerzas fundamentales es, como bien dice el nombre, una teoría que unificaría tres de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza de gravedad no es considerada en dicha teoría,pero sí en una eventual teoría del todo, que consideraría las cuatro interacciones fundamentales.

5. Cómo se generan y detectan las partículas

Hay partículas que no se encuentran en la naturaleza que está a nuestro alcance. Para obtenerlas se llevan a cabo experimentos en los aceleradores de partículas. En estas complejas máquinas se hacen colisionar partículas a muy alta energía. Como resultado del choque aparecen otras partículas que se pueden detectar e identificar.

5.1. Fuentes de partículas

• Para obtener electrones se calienta una lámina metálica hasta una temperatura suficientemente alta. Entonces se pueden extraer los electrones sometiéndolos a una diferencia de potencial elevada. • Para obtener protones se lanzan electrones a elevada energía contra átomos de hidrógeno para extraerle su electrón.

• Para obtener las antipartículas se «disparan» electrones muy energéticos contra un hilo metálico. De la interacción resulta un electrón de menor energía y fotones gamma.

5.2. Acelerador de partículas

Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades, y así, hacerlas colisionar con otras partículas. De esta manera, se generan una multitud de nuevas partículas que, generalmente, son muy inestables y duran menos de un segundo, esto permite estudiar más a fondo las partículas que fueron desintegradas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares.

¿Cómo funciona un acelerador de partículas? ¿Y para qué sirve?

Acelerador lineal

Los aceleradores lineales de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo electrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa, se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa.

Acelerador circular

Acelerador lineal

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar cam- pos magnéticos en combinación con los elétri- cos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partí- culas pueden permanecer confinadas en deter- minadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

5.3. Colisión y generación de nuevas partícullas

Cuando se considera que las partículas tienen la energía adecuada al experimento que se quiere realizar, se provoca su colisión. Como consecuencia del choque se generan nuevas partículas (y en muchos casos también antipartículas), de tal modo que la masa-energía final sea igual a la masa-energia de las partículas colisionantes.

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5.4. Detectores de partículas

Cámara de niebla

La cámara de niebla es un dispositivo utilizado para detectar partículas de radiación ionizante. Cuando una partícula cargada de suficiente energía interacciona con el vapor, lo ioniza. Los iones resultantes actúan como núcleos de condensación, alrededor de los cuales se forman gotas de líquido que dan lugar a una niebla. Al paso de las partículas se va produciendo una estela o traza, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de su trayectoria.

Cámara de borbujas

La cámara de burbujas es un detector de partículas cargadas eléctricamente. La cámara la compone una cuba que contiene un fluido transparente, generalmente hidrógeno líquido, que está a una temperatura algo más baja que su temperatura de ebullición. Una partícula cargada deposita la energía necesaria para que el líquido comience a hervir a lo largo de su trayectoria, formando una línea de burbujas.

Detectores multipropósitos

Para detectar partículas de diverso índole se usan detectores multipropósito, es decir, un sistema con diversas capas, en cada una de las cuales se puede detectar un determinado tipo de partícula Los protones y anti portones generados pasan por diversos pre-aceleradores en los que aumenta su energía de forma progresiva. Finalmente entran en el colisionador y, cuando su energía es adecuada, se provoca su choque en un lugar donde se puedan detectar y analizar las prtículas resultantes.

5.5. Analisis de datos

Analizando la trayectoria que siguen las particulas en cada detector, los cientificos deducen sus características como la masa, la carga, etc. Esto requiere intervención de potentes sistemas informáticos y la participación de un elevado número de personas.

5.6. Detectores de partículas no asociados a aceleradores

Para la detección de partículas como los fotones y los neutrones, que se encuentran en el espacio

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exterior se emplean diferentes métodos:

Fotomultiplicadores

Un fotomultiplicador consta aproximadamente de un tubo con un cátodo, un ánodo y dínodos intermedios. Un fotón incidente libera un electrón en el fotocátodo a través del efecto fotoeléctrico. Cada dínodo tiene un potencial mayor que el cátodo, por lo que los electrones liberados se aceleran hacia el dínodo. Cuando los electrones liberados chocan con el dínodo a alta velocidad, se liberan más electrones. Este fenómeno se denomina emisión secundaria. Luego, los electrones se aceleran al siguiente dínodo, donde el proceso se repite y se liberan más electrones. Un fotomultiplicador contiene varias de estas "etapas", y en cada etapa aumenta la cantidad de electrones. Con ocho a diez dínodos, eventualmente se liberan suficientes electrones para proporcionar una señal medible en el ánodo.

Detector de neutrinos

Los neutrinos son unas de las partículas todavía más misteriosas y abundantes en nuestro universo. Cada segundo, 65 mil millones de neutrinos pasan a través de cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo y de la Tierra. Los neutrinos no llevan carga eléctrica, lo que significa que no son afectados por las fuerzas electromagnéticas que actúan sobre las partículas cargadas, como pueden ser los electrones y protones. También son extremadamente pequeños debido a que viajan en su mayoría no alterados por la materia. Esto hace de los neutrinos algo extremadamente difícil de detectar y, cuanto más difícil es una partícula de detectar, más sofisticados y grandes deben ser los detectores para ello. El Super-Kamiokande en Japón es uno de esos observatorios de neutrinos.

El Super Kamiokande, o Super-K, se encuentra a 1000 metros bajo tierra, en la mina Kamioka Mozumi. El observatorio fue diseñado para estudiar la desintegración de protones, además del estudio solar, de los neutrinos atmosféricos y de las supernovas en la Vía Láctea. El observatorio se construyó bajo tierra con el fin de aislar el detector de rayos cósmicos y otras radiaciones.

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