Partícula subatómica

En física , una partícula subatómica es una partícula más pequeña que un átomo . ^[1] Según el Modelo Estándar de física de partículas , una partícula subatómica puede ser una partícula compuesta , que está formada por otras partículas (por ejemplo, un barión , como un protón o un neutrón , compuesto por tres quarks ; o un mesón , compuesto por dos quarks), o una partícula elemental , que no está compuesta por otras partículas (por ejemplo, quarks ; o electrones , muones y partículas tau , que se denominan leptones ). ^[2] La física de partículas y la física nuclear estudian estas partículas y cómo interactúan. ^[3] La mayoría de las partículas portadoras de fuerza, como los fotones o los gluones , se denominan bosones y, aunque tienen cuantos de energía, no tienen masa en reposo ni diámetros discretos (aparte de la longitud de onda de energía pura) y son diferentes a las partículas anteriores que tienen masa en reposo y no pueden superponerse ni combinarse, que se denominan fermiones . Los bosones W y Z, sin embargo, son una excepción a esta regla y tienen masas en reposo relativamente grandes, aproximadamente 80 GeV y 90 GeV respectivamente.

Los experimentos muestran que la luz podría comportarse como una corriente de partículas (llamadas fotones ) y exhibir propiedades ondulatorias. Esto condujo al concepto de dualidad onda-partícula para reflejar que las partículas a escala cuántica se comportan tanto como partículas como como ondas ; a veces se las llama ondículas para reflejar esto. ^[4]

Otro concepto, el principio de incertidumbre , establece que algunas de sus propiedades tomadas en conjunto, como su posición y momento simultáneos , no se pueden medir con exactitud. ^[5] Se ha demostrado que la dualidad onda-partícula se aplica no solo a los fotones sino también a partículas más masivas. ^[6]

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

Incluso entre los físicos de partículas , la definición exacta de una partícula tiene diversas descripciones. Estos intentos profesionales de definir una partícula incluyen: ^[7]

• Una partícula es una función de onda colapsada
• Una partícula es una excitación cuántica de un campo.
• Una partícula es una representación irreducible del grupo de Poincaré.
• Una partícula es una cosa observada.

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

Las partículas elementales del Modelo Estándar son: ^[8]

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

Todos ellos han sido descubiertos mediante experimentos, siendo los más recientes el quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012).

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

La palabra hadrón proviene del griego y fue introducida en 1962 por Lev Okun . ^[9] Casi todas las partículas compuestas contienen múltiples quarks (y/o antiquarks) unidos por gluones (con unas pocas excepciones sin quarks, como el positronio y el muonio ). Aquellas que contienen pocos (≤ 5) quarks (incluidos los antiquarks) se denominan hadrones . Debido a una propiedad conocida como confinamiento de color , los quarks nunca se encuentran solos, sino que siempre aparecen en hadrones que contienen múltiples quarks. Los hadrones se dividen por número de quarks (incluidos los antiquarks) en los bariones que contienen un número impar de quarks (casi siempre 3), de los cuales el protón y el neutrón (los dos nucleones ) son, con mucho, los más conocidos; y los mesones que contienen un número par de quarks (casi siempre 2, un quark y un antiquark), de los cuales los piones y los kaones son los más conocidos.

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

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

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

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

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

En la relatividad especial , la energía de una partícula en reposo es igual a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado , E = mc2 . Es decir, la masa se puede expresar en términos de energía y viceversa. Si una partícula tiene un marco de referencia en el que se encuentra en reposo , entonces tiene una masa en reposo positiva ^y se dice que es masiva .

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

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

Todas las partículas sin masa (cuya masa invariante es cero) son elementales. Entre ellas se encuentran el fotón y el gluón, aunque este último no puede aislarse.

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

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

Gracias a los trabajos de Albert Einstein , Satyendra Nath Bose , Louis de Broglie y muchos otros, la teoría científica actual sostiene que todas las partículas también tienen una naturaleza ondulatoria. ^[10] Esto se ha verificado no solo para partículas elementales, sino también para partículas compuestas como átomos e incluso moléculas. De hecho, según las formulaciones tradicionales de la mecánica cuántica no relativista, la dualidad onda-partícula se aplica a todos los objetos, incluso a los macroscópicos; aunque las propiedades ondulatorias de los objetos macroscópicos no se pueden detectar debido a sus pequeñas longitudes de onda. ^[11]

Las interacciones entre partículas han sido objeto de estudio durante muchos siglos, y unas pocas leyes sencillas sustentan el comportamiento de las partículas en colisiones e interacciones. Las más fundamentales de ellas son las leyes de conservación de la energía y de conservación del momento , que nos permiten realizar cálculos de interacciones de partículas en escalas de magnitud que van desde las estrellas hasta los quarks . ^[12] Estos son los principios básicos de la mecánica newtoniana , una serie de enunciados y ecuaciones de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , publicados originalmente en 1687.

El electrón cargado negativamente tiene una masa de aproximadamente ⁠1/1836⁠ de la de un átomo de hidrógeno . El resto de la masa del átomo de hidrógeno proviene del protón, que tiene carga positiva . El número atómico de un elemento es el número de protones en su núcleo. Los neutrones son partículas neutras que tienen una masa ligeramente mayor que la del protón. Los diferentes isótopos del mismo elemento contienen el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones. El número másico de un isótopo es el número total de nucleones (neutrones y protones colectivamente).

La química se ocupa de cómo el intercambio de electrones une a los átomos en estructuras como cristales y moléculas . Las partículas subatómicas consideradas importantes para la comprensión de la química son el electrón , el protón y el neutrón . La física nuclear se ocupa de cómo los protones y neutrones se organizan en núcleos. El estudio de partículas subatómicas, átomos y moléculas, y su estructura e interacciones, requiere la mecánica cuántica . El análisis de los procesos que cambian los números y tipos de partículas requiere la teoría cuántica de campos . El estudio de las partículas subatómicas en sí se llama física de partículas . El término física de altas energías es casi sinónimo de "física de partículas", ya que la creación de partículas requiere altas energías: ocurre solo como resultado de los rayos cósmicos o en aceleradores de partículas . La fenomenología de partículas sistematiza el conocimiento sobre las partículas subatómicas obtenido a partir de estos experimentos. ^[13]

El término " partícula subatómica " es en gran medida un retrónimo de la década de 1960, utilizado para distinguir un gran número de bariones y mesones (que comprenden los hadrones ) de partículas que ahora se consideran verdaderamente elementales . Antes de eso, los hadrones solían clasificarse como "elementales" porque se desconocía su composición.

A continuación una lista de descubrimientos importantes:

• Feynman, Richard P.; Weinberg, Steven, eds. (2001). Partículas elementales y leyes de la física: las conferencias conmemorativas de Dirac de 1986 (edición repetida). Cambridge: Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-65862-1.
• Greene, Brian (2003). El universo elegante: supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva . Nueva York; Londres: Norton. ISBN 978-0-393-05858-1.
• Oerter, Robert (2006). La teoría de casi todo: el modelo estándar, el triunfo anónimo de la física moderna . Nueva York, NY: Pi Press . ISBN . 978-0-452-28786-0.
• Schumm, Bruce A. (2004). En el fondo: la impresionante belleza de la física de partículas. Baltimore: Johns Hopkins University Press . ISBN 978-0-8018-7971-5.
• Veltman, Martinus (2003). Hechos y misterios en la física de partículas elementales . River Edge, NJ: World Scientific . ISBN 978-981-238-148-4.

• Coughlan, Guy D.; Dodd, JE; Gripaios, Ben M. (2006). Las ideas de la física de partículas: una introducción para científicos (3.ª ed.). Cambridge: Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-67775-2.Un texto de texto para estudiantes de pregrado que no se especializan en física.
• Griffiths, David J. (2007). Introducción a las partículas elementales. Weinheim: Wiley . ISBN 978-0-471-60386-3.
• Kane, GL (2017). Física de partículas elementales modernas (2.ª ed.). Cambridge, Reino Unido; Nueva York, NY, EE. UU.: Cambridge University Press . ISBN 978-1-107-16508-3.

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• Universidad de California: Grupo de Datos de Partículas.