Física de partículas

Modelo estándar de física de partículas
Partículas elementales del Modelo Estándar
Fondo Física de partículas Modelo estándar Teoría cuántica de campos Teoría de gauge Ruptura espontánea de simetría Mecanismo de Higgs
Constituyentes Electroweak interaction Quantum chromodynamics CKM matrix Standard Model mathematics
Limitations Strong CP problem Hierarchy problem Neutrino oscillations Physics beyond the Standard Model
Scientists Rutherford Thomson Chadwick Bose Sudarshan Davis Jr Anderson Fermi Dirac Feynman Rubbia Gell-Mann Kendall Taylor Friedman Powell Anderson Glashow Iliopoulos Lederman Maiani Meer Cowan Nambu Chamberlain Cabibbo Schwartz Perl Majorana Weinberg Lee Ward Salam Kobayashi Maskawa Mills Yang Yukawa 't Hooft Veltman Gross Pais Pauli Politzer Reines Schwinger Wilczek Cronin Fitch Vleck Higgs Englert Brout Hagen Guralnik Kibble de Mayolo Lattes Zweig
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La física de partículas o física de altas energías es el estudio de las partículas y fuerzas fundamentales que constituyen la materia y la radiación . El campo también estudia combinaciones de partículas elementales hasta la escala de protones y neutrones , mientras que el estudio de la combinación de protones y neutrones se denomina física nuclear .

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, aunque la materia ordinaria está formada solo por la primera generación de fermiones. La primera generación consta de quarks up y down que forman protones y neutrones , y electrones y neutrinos electrónicos . Las tres interacciones fundamentales que se sabe que están mediadas por 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 centésimas de microsegundo . Se producen tras colisiones entre partículas formadas por quarks, como los 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 . El electrón tiene una carga eléctrica negativa, el positrón tiene una carga positiva. Estas antipartículas pueden formar teóricamente 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 denomina Modelo Estándar . La conciliación 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 . Las dos están estrechamente relacionadas entre sí: el bosón de Higgs fue postulado por físicos teóricos de partículas y su presencia fue confirmada por experimentos prácticos.

La idea de que toda la materia está compuesta fundamentalmente de partículas elementales data al menos del siglo VI a. C. ^[1] En el siglo XIX, John Dalton , a través de su trabajo sobre estequiometría , concluyó que cada elemento de la naturaleza estaba compuesto de un único y único tipo de partícula. ^[2] La palabra átomo , a partir de la palabra griega atomos que significa "indivisible", ha denotado desde entonces la partícula más pequeña de un elemento químico , pero los físicos descubrieron más tarde que los átomos no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino que son conglomerados de partículas aún más pequeñas, como el electrón . Las exploraciones de principios del siglo XX de la física nuclear y la física cuántica llevaron a las pruebas de fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basada en experimentos de Otto Hahn ), y de fusión nuclear por Hans Bethe en ese mismo año; ambos descubrimientos también llevaron al desarrollo de armas nucleares .

A lo largo de los años 1950 y 1960, se encontró una desconcertante variedad de partículas en las 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 CP por James Cronin y Val Fitch trajeron nuevas preguntas al desequilibrio materia-antimateria . ^[3] Después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970, los físicos aclararon el origen del zoológico de partículas. La gran cantidad 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. ^{[4] [5]}

El estado actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica por el Modelo Estándar , que ganó una amplia aceptación a mediados de la década de 1970 después de la confirmación experimental de la existencia de los quarks . Describe las interacciones fundamentales fuertes , débiles y electromagnéticas , utilizando bosones de calibración mediadores . Las especies de bosones de calibración son ocho gluones ,
Yo⁻
,
Yo⁺
y
O
bosones y el fotón . ^[6] El Modelo Estándar también contiene 24 fermiones fundamentales (12 partículas y sus antipartículas asociadas), que son los constituyentes de toda la materia . ^[7] 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. ^[8]

El Modelo Estándar, tal como está formulado actualmente, tiene 61 partículas elementales. ^[9] Esas partículas elementales pueden combinarse para formar partículas compuestas, lo que explica los cientos de otras especies de partículas que se han descubierto desde la década de 1960. Se ha descubierto que el Modelo Estándar concuerda 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 (véase 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. ^[10]

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La investigación moderna en física de partículas 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 , hechas de quarks ), que se producen mediante procesos radiactivos y de dispersión ; dichas partículas son los fotones , los neutrinos y los muones , así como una amplia gama de partículas exóticas . ^[11] Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi en su totalidad mediante el Modelo Estándar. ^[6]

La dinámica de las partículas también está regida 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 presume que son indivisibles y no están compuestas de otras partículas. ^[9]

La materia ordinaria está hecha de quarks de primera generación ( arriba , abajo ) y leptones ( electrón , neutrino electrónico ). ^[12] Colectivamente, los quarks y los leptones se llaman 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 no hay dos partículas que puedan ocupar el mismo estado cuántico . ^{[13] Los quarks tienen} carga eléctrica elemental fraccionaria (−1/3 o 2/3) ^[14] y los leptones tienen carga eléctrica de número entero (0 o 1). ^[15] 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. ^[16] 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 . ^[16]

Se conocen tres generaciones de quarks (up y down, strange y charm , top y bottom ) y leptones (electrón y su neutrino, muón y su neutrino , tau y su neutrino ), con fuerte evidencia indirecta de que no existe una cuarta generación de fermiones. ^[17]

Los bosones son los mediadores o portadores de interacciones fundamentales, como el electromagnetismo , la interacción débil y la interacción fuerte . ^[18] El electromagnetismo está mediado por el fotón , el cuanto de luz . ^{[19] : 29–30} La interacción débil está mediada por los bosones W y Z. ^[20] La interacción fuerte está mediada por el gluón , que puede unir quarks para formar partículas compuestas. ^[21] Debido al confinamiento de color antes mencionado, los gluones nunca se observan de forma independiente. [ ^22] El bosón de Higgs da masa a los bosones W y Z a través del mecanismo de Higgs ^[23] – se espera que el gluón y el fotón no tengan masa . ^[22] Todos los bosones tienen un espín cuántico entero (0 y 1) y pueden tener el mismo estado cuántico . ^[18]

La mayoría de las partículas mencionadas anteriormente tienen antipartículas correspondientes , que componen la antimateria . Las partículas normales tienen un número leptónico o bariónico positivo , y las antipartículas tienen estos números negativos. ^[24] 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 el superíndice . Por ejemplo, el electrón y el positrón se denotan
mi⁻
y
mi⁺
. ^[25] Cuando una partícula y una antipartícula interactúan entre sí, se aniquilan y se convierten en otras partículas. ^[26] Algunas partículas, como el fotón o el gluón, no tienen antipartículas. ^{[ cita requerida ]}

Los quarks y los gluones tienen además cargas de color, lo que influye en la interacción fuerte. 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. ^[16] El gluón puede tener ocho cargas de color , que son el resultado de las interacciones de los quarks para formar partículas compuestas (simetría de calibre SU(3) ). ^[27]

Los neutrones y protones en los núcleos atómicos son bariones : el neutrón está compuesto de dos quarks down y un quark up, y el protón está compuesto de dos quarks up y un quark down. ^[28] Un barión está compuesto de tres quarks, y un mesón está compuesto de dos quarks (uno normal, uno anti). Los bariones y mesones se denominan colectivamente hadrones . Los quarks dentro de los hadrones están gobernados por la interacción fuerte, por lo tanto están sujetos a la cromodinámica cuántica (cargas de color). Los quarks acotados deben tener su carga de color neutra, o "blanca" por analogía con la mezcla de los colores primarios . ^[29] Los hadrones más exóticos pueden tener otros tipos, disposición o número de quarks ( tetraquark , pentaquark ). ^[30]

Un átomo está formado por protones, neutrones y electrones. ^[31] Modificando las partículas dentro de un átomo normal, se pueden formar átomos exóticos . ^[32] Un ejemplo sencillo sería el hidrógeno-4.1 , que tiene uno de sus electrones reemplazado por un muón. ^[33]

El gravitón es una partícula hipotética que puede mediar la interacción gravitacional, pero no ha sido detectada ni reconciliada completamente con las teorías actuales. ^[34] Se han propuesto muchas otras partículas hipotéticas para abordar las limitaciones del Modelo Estándar. En particular, las partículas supersimétricas apuntan a resolver el problema de la jerarquía , los axiones abordan el problema CP fuerte y se proponen varias otras partículas para explicar los orígenes de la materia oscura y la energía oscura .

Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:

• Laboratorio Nacional de Brookhaven ( Long Island , Estados Unidos ). Su principal instalación es el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC), que hace colisionar iones pesados ​​como iones de oro y protones polarizados. Es el primer colisionador de iones pesados ​​del mundo y el único colisionador de protones polarizados del mundo. ^{[35] [36]}
• Instituto Budker de Física Nuclear ( Novosibirsk , Rusia ). Sus principales proyectos son ahora los colisionadores electrón-positrón VEPP-2000 , ^[37] en funcionamiento desde 2006, y VEPP-4, ^{[38] que comenzó a realizar experimentos en 1994. Las instalaciones anteriores incluyen el primer} colisionador de haz de electrones-haz de electrones VEP-1, que realizó experimentos de 1964 a 1968; los colisionadores electrón-positrón VEPP-2, en funcionamiento de 1965 a 1974; y, su sucesor VEPP-2M, ^[39] realizó experimentos de 1974 a 2000. ^[40]

• 

  CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) ( frontera franco - suiza , cerca de Ginebra ). Su principal proyecto es ahora el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que tuvo su primera circulación de haz el 10 de septiembre de 2008, y ahora es el colisionador de protones más energético del mundo. 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 Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), que se detuvo el 2 de noviembre de 2000 y luego se desmanteló para dar paso al LHC; y el Super Sincrotrón de Protones , que se está reutilizando como preacelerador para el LHC y para experimentos de objetivo fijo. ^[41]
• DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Hamburgo , Alemania ). Su principal instalación era el Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), que hacía colisionar electrones y positrones con protones. ^[42] El complejo acelerador se centra ahora en la producción de radiación de sincrotrón con PETRA III , FLASH y el XFEL europeo .
• Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) ( Batavia , Estados Unidos ). Su principal instalación hasta 2011 fue el Tevatron , que colisionaba protones y antiprotones y fue el colisionador de partículas de mayor energía en la Tierra hasta que el Gran Colisionador de Hadrones lo superó el 29 de noviembre de 2009. ^[43]
• Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) ( Beijing , China ). El IHEP gestiona varias de las principales instalaciones de física de partículas de China, entre ellas el Colisionador de Electrones y Positrones II de Beijing (BEPC II), el Espectrómetro de Beijing (BES), la Instalación de Radiación Sincrotrón de Beijing (BSRF), el Observatorio Internacional de Rayos Cósmicos en Yangbajing en el Tíbet, el Experimento de Neutrinos del Reactor de la Bahía de Daya , la Fuente de Neutrones por Espalación de China , el Telescopio de Modulación de Rayos X Duros (HXMT) y el Sistema Subcrítico Impulsado por Aceleradores (ADS), así como el Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO). ^[44]
• KEK ( Tsukuba , Japón ). Es el hogar de una serie de experimentos como el experimento K2K , un experimento de oscilación de neutrinos y Belle II , un experimento que mide la violación CP de los mesones B. [ ^45]
• Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC ( Menlo Park , Estados Unidos ). Su acelerador lineal de partículas de 3 kilómetros de longitud 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 se utiliza para el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac, así como para la investigación avanzada de diseño de aceleradores. El personal del SLAC continúa participando en el desarrollo y la construcción de muchos detectores de partículas en todo el mundo. ^[46]

Quantum field theory
Feynman diagram
History
Background Field theory Electromagnetism Weak force Strong force Quantum mechanics Special relativity General relativity Gauge theory Yang–Mills theory
Symmetries Symmetry in quantum mechanics C-symmetry P-symmetry T-symmetry Lorentz symmetry Poincaré symmetry Gauge symmetry Explicit symmetry breaking Spontaneous symmetry breaking Noether charge Topological charge
Tools Anomaly Background field method BRST quantization Correlation function Crossing Effective action Effective field theory Expectation value Feynman diagram Lattice field theory LSZ reduction formula Partition function Path Integral Formulation Propagator Quantization Regularization Renormalization Vacuum state Wick's theorem Wightman Axioms
Equations Dirac equation Klein–Gordon equation Proca equations Wheeler–DeWitt equation Bargmann–Wigner equations Schwinger-Dyson equation Renormalization group equation
Standard Model Quantum electrodynamics Electroweak interaction Quantum chromodynamics Higgs mechanism
Incomplete theories String theory Supersymmetry Technicolor Theory of everything Quantum gravity
Scientists Adler Anderson Anselm Bargmann Becchi Belavin Bell Berezin Bethe Bjorken Bleuer Bogoliubov Brodsky Brout Buchholz Cachazo Callan Coleman Connes Dashen DeWitt Dirac Doplicher Dyson Englert Faddeev Fadin Fayet Fermi Feynman Fierz Fock Frampton Fritzsch Fröhlich Fredenhagen Furry Glashow Gelfand Gell-Mann Glimm Goldstone Gribov Gross Gupta Guralnik Haag Heisenberg Hepp Higgs Hagen 't Hooft Iliopoulos Ivanenko Jackiw Jaffe Jona-Lasinio Jordan Jost Källén Kendall Kinoshita Klebanov Kontsevich Kreimer Kuraev Landau Lee Lehmann Leutwyler Lipatov Łopuszański Low Lüders Maiani Majorana Maldacena Migdal Mills Møller Naimark Nambu Neveu Nishijima Oehme Oppenheimer Osterwalder Parisi Pauli Peskin Plefka Polchinski Polyakov Pomeranchuk Popov Proca Rubakov Ruelle Salam Schrader Schwarz Schwinger Segal Seiberg Semenoff Shifman Shirkov Skyrme Sommerfield Stora Stueckelberg Sudarshan Symanzik Thirring Tomonaga Tyutin Vainshtein Veltman Virasoro Ward Weinberg Weisskopf Wentzel Wess Wetterich Weyl Wick Wightman Wigner Wilczek Wilson Witten Yang Yukawa Zamolodchikov Zamolodchikov Zee Zimmermann Zinn-Justin Zuber Zumino
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La física teórica de partículas intenta desarrollar modelos, marcos teóricos y herramientas matemáticas para comprender los experimentos actuales y hacer predicciones para experimentos futuros (véase también física teórica ). En la actualidad, se están realizando varios esfuerzos importantes e interrelacionados en el campo de 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 investiga los límites del Modelo Estándar y, por lo tanto, amplía la comprensión científica de los componentes básicos de la naturaleza. Esos esfuerzos se ven dificultados por la dificultad de calcular cantidades de alta precisión en cromodinámica cuántica . Algunos teóricos que trabajan en esta área utilizan las herramientas de la teoría cuántica de campos perturbativa y la teoría de campos efectiva , refiriéndose a sí mismos como fenomenólogos . ^{[ cita requerida ]} Otros hacen uso de la teoría de campos reticulares y se llaman a sí mismos teóricos reticulares .

Otro esfuerzo importante es la construcción de modelos, en la que los constructores de modelos desarrollan ideas sobre qué física puede haber 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. ^{[47] [48]} Puede implicar trabajo sobre supersimetría , alternativas al mecanismo de Higgs , dimensiones espaciales adicionales (como los modelos de Randall-Sundrum ), teoría de Preon , combinaciones de estas u otras ideas. La teoría de las dimensiones evanescentes es una teoría de la física de partículas que sugiere que los sistemas con mayor energía tienen un número menor de dimensiones. ^[49]

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". ^[50]

Existen también otras áreas de trabajo en la física teórica de partículas que van desde la cosmología de partículas hasta la gravedad cuántica de bucles . ^{[ cita requerida ]}

En principio, toda la física (y las aplicaciones prácticas desarrolladas a partir de ella) se pueden derivar del estudio de partículas fundamentales. En la práctica, incluso si "física de partículas" se entiende solo como "aplastadores 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 investigación y tratamiento (por ejemplo, isótopos utilizados en imágenes PET ), o se utilizan directamente en radioterapia de haz externo . El desarrollo de superconductores ha sido impulsado por su uso en 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, informática, 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. ^[51]

Los principales esfuerzos para buscar física más allá del Modelo Estándar incluyen el Futuro Colisionador Circular propuesto para el CERN ^[52] y el Panel de Priorización del Proyecto de Física de Partículas (P5) en los EE. UU. que actualizará el estudio P5 de 2014 que recomendó el Experimento de Neutrinos Profundos Subterráneos , entre otros experimentos.

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