Partícula elemental

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 Interacción electrodébil Cromodinámica cuántica Matriz CKM Matemáticas del Modelo Estándar
Limitaciones 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
v t e

En física de partículas , una partícula elemental o partícula fundamental es una partícula subatómica que no está compuesta de otras partículas. ^[1] El Modelo Estándar reconoce actualmente diecisiete partículas distintas: doce fermiones y cinco bosones . Como consecuencia de las combinaciones de sabor y color y la antimateria , se sabe que los fermiones y los bosones tienen 48 y 13 variaciones, respectivamente. ^[2] Entre las 61 partículas elementales abarcadas por el Modelo Estándar se encuentran: electrones y otros leptones , quarks y los bosones fundamentales . Las partículas subatómicas como los protones o los neutrones , que contienen dos o más partículas elementales, se conocen como partículas compuestas .

La materia ordinaria está compuesta de átomos , que en su día se consideraron partículas elementales indivisibles. El nombre átomo proviene de la palabra griega antigua ἄτομος (atomos), que significa indivisible o indivisible . A pesar de las teorías sobre los átomos que habían existido durante miles de años, la existencia real de los átomos siguió siendo controvertida hasta 1905. En ese año, Albert Einstein publicó su artículo sobre el movimiento browniano , poniendo fin a las teorías que habían considerado a las moléculas como ilusiones matemáticas. Posteriormente, Einstein identificó la materia como compuesta en última instancia de varias concentraciones de energía . ^{[1] [3]}

Los componentes subatómicos del átomo fueron identificados por primera vez hacia finales del siglo XIX , comenzando con el electrón , seguido por el protón en 1919, el fotón en la década de 1920 y el neutrón en 1932. ^[1] En ese momento, el advenimiento de la mecánica cuántica había alterado radicalmente la definición de una "partícula" al proponer una comprensión en la que llevaban a cabo una existencia simultánea como ondas de materia . ^{[4] [5]}

Desde su codificación en la década de 1970 se han realizado muchas elaboraciones teóricas sobre el Modelo Estándar y más allá de él . Estas incluyen nociones de supersimetría , que duplican el número de partículas elementales al plantear la hipótesis de que cada partícula conocida se asocia con una compañera "sombra" mucho más masiva. ^{[6] [7]} Sin embargo, al igual que un bosón elemental adicional que media la gravitación, dichas supercompañeras siguen sin descubrirse a partir de 2024. ^{[8] [9] [1]}

Todas las partículas elementales son bosones o fermiones . Estas clases se distinguen por sus estadísticas cuánticas : los fermiones obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac y los bosones obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein . ^[1] Su espín se diferencia mediante el teorema de estadística de espín : es semientero para los fermiones y entero para los bosones.

Notas :
[†]Un antielectrón (
mi⁺
) se denomina convencionalmente " positrón ".
[‡]Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen espín = 1. El gravitón hipotético tiene espín = 2; se desconoce si también es un bosón de calibre.

En el Modelo Estándar , las partículas elementales se representan como partículas puntuales para fines predictivos . Aunque es sumamente exitoso, el Modelo Estándar está limitado por la omisión de la gravitación y tiene algunos parámetros agregados arbitrariamente pero sin explicación. ^[10]

Según los modelos actuales de nucleosíntesis del Big Bang , la composición primordial de la materia visible del universo debería ser de aproximadamente un 75% de hidrógeno y un 25% de helio-4 (en masa). Los neutrones están formados por un quark up y dos down, mientras que los protones están formados por dos quark up y uno down. Dado que las demás partículas elementales comunes (como los electrones, los neutrinos o los bosones débiles) son tan ligeras o tan raras en comparación con los núcleos atómicos, podemos despreciar su contribución de masa a la masa total del universo observable. Por lo tanto, se puede concluir que la mayor parte de la masa visible del universo consiste en protones y neutrones, que, como todos los bariones , a su vez consisten en quarks up y quarks down.

Algunas estimaciones implican que hay aproximadamente 10⁸⁰ bariones (casi en su totalidad protones y neutrones) en el universo observable. ^{[ cita requerida ]}

El número de protones en el universo observable se llama número de Eddington .

En términos de número de partículas, algunas estimaciones implican que casi toda la materia, excluida la materia oscura , se presenta en neutrinos, que constituyen la mayoría de los aproximadamente 10⁸⁶ partículas elementales de materia que existen en el universo visible. ^[11] Otras estimaciones implican que aproximadamente 10En el universo visible existen ⁹⁷ partículas elementales (sin incluir la materia oscura ), en su mayoría fotones y otros portadores de fuerza sin masa. ^[11]

El Modelo Estándar de física de partículas contiene 12 sabores de fermiones elementales , más sus antipartículas correspondientes , así como bosones elementales que median las fuerzas y el bosón de Higgs , que se informó el 4 de julio de 2012, como probablemente detectado por los dos experimentos principales en el Gran Colisionador de Hadrones ( ATLAS y CMS ). ^[1] Sin embargo, el Modelo Estándar se considera ampliamente como una teoría provisional en lugar de una verdaderamente fundamental, ya que no se sabe si es compatible con la relatividad general de Einstein . Puede haber partículas elementales hipotéticas no descritas por el Modelo Estándar, como el gravitón , la partícula que transportaría la fuerza gravitacional , y las espartículas , compañeras supersimétricas de las partículas ordinarias. ^[12]

Los 12 fermiones fundamentales se dividen en 3  generaciones de 4 partículas cada una. La mitad de los fermiones son leptones , tres de los cuales tienen una carga eléctrica de −1  e , llamada electrón (
mi⁻
), el muón (
micras⁻
), y la tau (
τ⁻
); los otros tres leptones son neutrinos (
no
_mi,
no
_micras,
no
_τ), que son los únicos fermiones elementales sin carga eléctrica ni de color . Las seis partículas restantes son quarks (que se analizan a continuación).

La siguiente tabla muestra las masas medidas y las estimaciones de masa actuales para todos los fermiones, utilizando la misma escala de medida: millones de electronvoltios en relación con el cuadrado de la velocidad de la luz (MeV/ c ² ). Por ejemplo, la masa de quark conocida con mayor precisión es la del quark top (
a
) en172,7  GeV/ c ² , estimado utilizando el esquema on-shell .

Las estimaciones de los valores de las masas de los quarks dependen de la versión de la cromodinámica cuántica utilizada para describir las interacciones de los quarks. Los quarks siempre están confinados en una envoltura de gluones que confieren una masa mucho mayor a los mesones y bariones donde se encuentran los quarks, por lo que los valores de las masas de los quarks no se pueden medir directamente. Dado que sus masas son tan pequeñas en comparación con la masa efectiva de los gluones circundantes, pequeñas diferencias en el cálculo generan grandes diferencias en las masas.

También existen 12 antipartículas fermiónicas fundamentales que corresponden a estas 12 partículas. Por ejemplo, el antielectrón (positrón)
mi⁺
es la antipartícula del electrón y tiene una carga eléctrica de +1  e .

Nunca se han detectado quarks y antiquarks aislados, un hecho que se explica por el confinamiento . Cada quark lleva una de las tres cargas de color de la interacción fuerte ; los antiquarks llevan de forma similar anticolor. Las partículas cargadas de color interactúan a través del intercambio de gluones de la misma manera que las partículas cargadas interactúan a través del intercambio de fotones . Sin embargo, los gluones están cargados de color, lo que da como resultado una amplificación de la fuerza fuerte a medida que las partículas cargadas de color se separan. A diferencia de la fuerza electromagnética , que disminuye a medida que las partículas cargadas se separan, las partículas cargadas de color sienten una fuerza creciente.

Sin embargo, las partículas cargadas de color pueden combinarse para formar partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones . Un quark puede emparejarse con un antiquark: el quark tiene un color y el antiquark tiene el anticolor correspondiente. El color y el anticolor se cancelan, formando un mesón de color neutro . Alternativamente, tres quarks pueden existir juntos, siendo un quark "rojo", otro "azul" y otro "verde". Estos tres quarks de color juntos forman un barión de color neutro. Simétricamente, tres antiquarks con los colores "antirojo", "antiazul" y "antiverde" pueden formar un antibaryon de color neutro .

Los quarks también tienen cargas eléctricas fraccionarias , pero, dado que están confinados dentro de hadrones cuyas cargas son todas enteras, las cargas fraccionarias nunca han sido aisladas. Nótese que los quarks tienen cargas eléctricas de ⁠++2/3⁠  e o ⁠−+1/3⁠  e , mientras que los antiquarks tienen cargas eléctricas correspondientes de ⁠−+2/3⁠  e o  ⁠++1/3mi  .​

La evidencia de la existencia de los quarks proviene de la dispersión inelástica profunda : el disparo de electrones a los núcleos para determinar la distribución de la carga dentro de los nucleones (que son bariones). Si la carga es uniforme, el campo eléctrico alrededor del protón debería ser uniforme y el electrón debería dispersarse elásticamente. Los electrones de baja energía se dispersan de esta manera, pero, por encima de una energía particular, los protones desvían algunos electrones a través de grandes ángulos. El electrón que retrocede tiene mucha menos energía y se emite un chorro de partículas . Esta dispersión inelástica sugiere que la carga en el protón no es uniforme, sino que se divide entre partículas cargadas más pequeñas: los quarks.

En el Modelo Estándar, los bosones vectoriales ( espín -1) ( gluones , fotones y los bosones W y Z ) median fuerzas, mientras que el bosón de Higgs (espín-0) es responsable de la masa intrínseca de las partículas. Los bosones se diferencian de los fermiones en el hecho de que varios bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico ( principio de exclusión de Pauli ). Además, los bosones pueden ser elementales, como los fotones, o una combinación, como los mesones . El espín de los bosones son números enteros en lugar de medios enteros.

Los gluones median la interacción fuerte , que se une a los quarks y, por lo tanto, forma hadrones , que son bariones (tres quarks) o mesones (un quark y un antiquark). Los protones y neutrones son bariones, unidos por gluones para formar el núcleo atómico . Al igual que los quarks, los gluones exhiben color y anticolor (sin relación con el concepto de color visual y más bien con las interacciones fuertes de las partículas), a veces en combinaciones, en total ocho variaciones de gluones.

Hay tres bosones gauge débiles : W ⁺ , W ⁻ y Z ⁰ ; estos median la interacción débil . Los bosones W son conocidos por su mediación en la desintegración nuclear: el W ⁻ convierte un neutrón en un protón y luego se desintegra en un electrón y un par electrón-antineutrino. El Z ⁰ no convierte el sabor o las cargas de las partículas, sino que cambia el momento; es el único mecanismo para dispersar elásticamente los neutrinos. Los bosones gauge débiles se descubrieron debido al cambio de momento en los electrones a partir del intercambio neutrino-Z. El fotón sin masa media la interacción electromagnética . Estos cuatro bosones gauge forman la interacción electrodébil entre partículas elementales.

Aunque las fuerzas débiles y electromagnéticas nos parecen bastante diferentes a las energías cotidianas, se teoriza que las dos fuerzas se unifican como una única fuerza electrodébil a altas energías. Esta predicción fue confirmada claramente por las mediciones de las secciones transversales para la dispersión de electrones y protones de alta energía en el colisionador HERA en DESY . Las diferencias a bajas energías son una consecuencia de las altas masas de los bosones W y Z, que a su vez son una consecuencia del mecanismo de Higgs . A través del proceso de ruptura espontánea de la simetría , el bosón de Higgs selecciona una dirección especial en el espacio electrodébil que hace que tres partículas electrodébiles se vuelvan muy pesadas (los bosones débiles) y una permanezca con una masa en reposo indefinida ya que siempre está en movimiento (el fotón). El 4 de julio de 2012, después de muchos años de búsqueda experimental de evidencia de su existencia, se anunció que el bosón de Higgs había sido observado en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Peter Higgs , quien postuló por primera vez la existencia del bosón de Higgs, estuvo presente en el anuncio. ^[14] Se cree que el bosón de Higgs tiene una masa de aproximadamente125 GeV/ c ² . ^[15] La significancia estadística de este descubrimiento se informó como 5 sigma, lo que implica una certeza de aproximadamente el 99,99994%. En física de partículas, este es el nivel de significancia requerido para etiquetar oficialmente las observaciones experimentales como un descubrimiento . La investigación sobre las propiedades de la partícula recién descubierta continúa.

El gravitón es una partícula elemental hipotética de espín 2 propuesta para mediar la gravitación. Si bien sigue sin descubrirse debido a la dificultad inherente a su detección , a veces se incluye en las tablas de partículas elementales. ^[1] El gravitón convencional no tiene masa, aunque existen algunos modelos que contienen gravitones de Kaluza-Klein masivos. ^[16]

Aunque la evidencia experimental confirma de manera abrumadora las predicciones derivadas del Modelo Estándar , algunos de sus parámetros fueron añadidos arbitrariamente, no determinados por una explicación particular, por lo que siguen siendo misteriosos, por ejemplo el problema de la jerarquía . Las teorías más allá del Modelo Estándar intentan resolver estas deficiencias.

Una extensión del Modelo Estándar intenta combinar la interacción electrodébil con la interacción fuerte en una única "teoría de gran unificación" (GUT). Dicha fuerza se descompondría espontáneamente en las tres fuerzas mediante un mecanismo similar al de Higgs . Se cree que esta descomposición se produce a altas energías, lo que dificulta la observación de la unificación en un laboratorio. La predicción más dramática de la gran unificación es la existencia de los bosones X e Y , que causan la desintegración de protones . Sin embargo, la no observación de la desintegración de protones en el observatorio de neutrinos Super-Kamiokande descarta las GUT más simples, incluidas SU(5) y SO(10).

La supersimetría extiende el Modelo Estándar añadiendo otra clase de simetrías al Lagrangiano . Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas con partículas bosónicas . Tal simetría predice la existencia de partículas supersimétricas , abreviadas como espartículas , que incluyen los sleptones , squarks , neutralinos y charginos . Cada partícula en el Modelo Estándar tendría una superpareja cuyo espín difiere en 1 ⁄ 2 del de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría , las espartículas son mucho más pesadas que sus contrapartes ordinarias; son tan pesadas que los colisionadores de partículas existentes no serían lo suficientemente potentes para producirlas. Algunos físicos creen que las espartículas serán detectadas por el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN .

La teoría de cuerdas es un modelo de física según el cual todas las "partículas" que forman la materia están compuestas de cuerdas (que miden la longitud de Planck) que existen en un universo de 11 dimensiones (según la teoría M , la versión principal) o de 12 dimensiones (según la teoría F ^[17] ). Estas cuerdas vibran a diferentes frecuencias que determinan la masa, la carga eléctrica, la carga de color y el espín. Una "cuerda" puede ser abierta (una línea) o cerrada en un bucle (una esfera unidimensional, es decir, un círculo). A medida que una cuerda se mueve a través del espacio, barre algo llamado capa del mundo . La teoría de cuerdas predice de 1 a 10 branas (una brana 1 es una cuerda y una brana 10 es un objeto de 10 dimensiones) que evitan desgarros en el "tejido" del espacio utilizando el principio de incertidumbre (por ejemplo, el electrón que orbita un átomo de hidrógeno tiene la probabilidad, aunque pequeña, de que pueda estar en cualquier otro lugar del universo en un momento dado).

La teoría de cuerdas propone que nuestro universo es simplemente una cuadribrana, dentro de la cual existen las tres dimensiones espaciales y la única dimensión temporal que observamos. Las 7 dimensiones teóricas restantes son muy pequeñas y están enrolladas (y son demasiado pequeñas para ser accesibles macroscópicamente) o simplemente no existen o no pueden existir en nuestro universo (porque existen en un esquema más amplio llamado " multiverso " fuera de nuestro universo conocido).

Algunas predicciones de la teoría de cuerdas incluyen la existencia de contrapartes extremadamente masivas de partículas ordinarias debido a excitaciones vibracionales de la cuerda fundamental y la existencia de una partícula de espín 2 sin masa que se comporta como el gravitón .

Las teorías en tecnicolor intentan modificar el modelo estándar de forma mínima introduciendo una nueva interacción similar a la de la QCD. Esto significa que se añade una nueva teoría de los llamados Techniquarks, que interactúan a través de los llamados Technigluons. La idea principal es que el bosón de Higgs no es una partícula elemental sino un estado ligado de estos objetos.

Según la teoría de preones, existen uno o más órdenes de partículas más fundamentales que las que se encuentran (o la mayoría de ellas) en el Modelo Estándar. Las más fundamentales de ellas se denominan normalmente preones, que deriva de "prequarks". En esencia, la teoría de preones intenta hacer por el Modelo Estándar lo que este hizo por el zoológico de partículas que lo precedió. La mayoría de los modelos suponen que casi todo en el Modelo Estándar puede explicarse en términos de tres a seis partículas más fundamentales y las reglas que gobiernan sus interacciones. El interés por los preones ha disminuido desde que los modelos más simples fueron descartados experimentalmente en la década de 1980.

Los acelerones son las partículas subatómicas hipotéticas que vinculan integralmente la nueva masa del neutrino con la energía oscura que, según se supone, acelera la expansión del universo . ^[18]

En esta teoría, los neutrinos se ven influenciados por una nueva fuerza resultante de sus interacciones con los acelerones, lo que da lugar a la energía oscura. La energía oscura surge cuando el universo intenta separar a los neutrinos. ^[18] Se cree que los acelerones interactúan con la materia con menos frecuencia que con los neutrinos. ^[19]

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La dirección más importante sobre el conocimiento experimental y teórico actual sobre la física de partículas elementales es el Particle Data Group , donde diferentes instituciones internacionales recopilan todos los datos experimentales y brindan breves revisiones sobre la comprensión teórica contemporánea.

• "Grupo de datos de partículas (página de inicio)".

Otras páginas son:

• particleadventure.org, una introducción bien hecha también para los no físicos
• CERNCourier: La temporada de Higgs y el melodrama Archivado el 23 de julio de 2008 en Wayback Machine.
• Interactions.org, noticias sobre física de partículas
• Revista Symmetry, una publicación conjunta de Fermilab y SLAC
• Partículas elementales pensables, una visualización interactiva que permite comparar propiedades físicas